new 和delete的講解

在 C++ 中，你也許經常使用 new 和 delete 來動态申請和釋放記憶體，但你可曾想過以下問題呢？

• new 和 delete 是函數嗎？
• new [] 和 delete [] 又是什麼？什麼時候用它們？
• 你知道 operator new 和 operator delete 嗎？
• 為什麼 new [] 出來的數組有時可以用 delete 釋放有時又不行？
• …

如果你對這些問題都有疑問的話，不妨看看我這篇文章。

new 和 delete 到底是什麼？

如果找工作的同學看一些面試的書，我相信都會遇到這樣的題：sizeof 不是函數，然後舉出一堆的理由來證明 sizeof 不是函數。在這裡，和 sizeof 類似，new 和 delete 也不是函數，它們都是 C++ 定義的關鍵字，通過特定的文法可以組成表達式。和 sizeof 不同的是，sizeof 在編譯時候就可以确定其傳回值，new 和 delete 背後的機制則比較複雜。

繼續往下之前，請你想想你認為 new 應該要做些什麼？也許你第一反應是，new 不就和 C 語言中的 malloc 函數一樣嘛，就用來動态申請空間的。你答對了一半，看看下面語句：

你就可以看出 new 和 malloc 還是有點不同的，malloc 申請完空間之後不會對記憶體進行必要的初始化，而 new 可以。是以 new expression 背後要做的事情不是你想象的那麼簡單。在我用執行個體來解釋 new 背後的機制之前，你需要知道 

operator new

 和 

operator delete

 是什麼玩意。

operator new 和 operator delete

這兩個其實是 C++ 語言标準庫的庫函數，原型分别如下：

void *operator new(size_t);     //allocate an object
void *operator delete(void *);    //free an object

void *operator new[](size_t);     //allocate an array
void *operator delete[](void *);    //free an array
      

後面兩個你可以先不看，後面再介紹。前面兩個均是 C++ 标準庫函數，你可能會覺得這是函數嗎？請不要懷疑，這就是函數！C++ Primer 一書上說這不是重載 new 和 delete 表達式（如 

operator=

 就是重載 = 操作符），因為 new 和 delete 是不允許重載的。但我還沒搞清楚為什麼要用 operator new 和 operator delete 來命名，比較費解。我們隻要知道它們的意思就可以了，這兩個函數和 C 語言中的 malloc 和 free 函數有點像了，都是用來申請和釋放記憶體的，并且 operator new 申請記憶體之後不對記憶體進行初始化，直接傳回申請記憶體的指針。

我們可以直接在我們的程式中使用這幾個函數。

new 和 delete 背後機制

知道上面兩個函數之後，我們用一個執行個體來解釋 new 和 delete 背後的機制：

我們不用簡單的 C++ 内置類型來舉例，使用複雜一點的類類型，定義一個類 A：

class A
{
public:
    A(int v) : var(v)
    {
        fopen_s(&file, "test", "r");
    }
    ~A()
    {
        fclose(file);
    }

private:
    int var;
    FILE *file;
};
      

很簡單，類 A 中有兩個私有成員，有一個構造函數和一個析構函數，構造函數中初始化私有變量 var 以及打開一個檔案，析構函數關閉打開的檔案。

我們使用

來建立一個類的對象，傳回其指針 pA。如下圖所示 new 背後完成的工作：

簡單總結一下：

1. 首先需要調用上面提到的 operator new 标準庫函數，傳入的參數為 class A 的大小，這裡為 8 個位元組，至于為什麼是 8 個位元組，你可以看看《深入 C++ 對象模型》一書，這裡不做多解釋。這樣函數傳回的是配置設定記憶體的起始位址，這裡假設是 0x007da290。
2. 上面配置設定的記憶體是未初始化的，也是未類型化的，第二步就在這一塊原始的記憶體上對類對象進行初始化，調用的是相應的構造函數，這裡是調用 

   A:A(10);

    這個函數，從圖中也可以看到對這塊申請的記憶體進行了初始化，

   var=10, file 指向打開的檔案

   。
3. 最後一步就是傳回新配置設定并構造好的對象的指針，這裡 pA 就指向 0x007da290 這塊記憶體，pA 的類型為類 A 對象的指針。

所有這三步，你都可以通過反彙編找到相應的彙編代碼，在這裡我就不列出了。

好了，那麼 delete 都幹了什麼呢？還是接着上面的例子，如果這時想釋放掉申請的類的對象怎麼辦？當然我們可以使用下面的語句來完成：

delete 所做的事情如下圖所示：

delete 就做了兩件事情：

1. 調用 pA 指向對象的析構函數，對打開的檔案進行關閉。
2. 通過上面提到的标準庫函數 operator delete 來釋放該對象的記憶體，傳入函數的參數為 pA 的值，也就是 0x007d290。

好了，解釋完了 new 和 delete 背後所做的事情了，是不是覺得也很簡單？不就多了一個構造函數和析構函數的調用嘛。

如何申請和釋放一個數組？

我們經常要用到動态配置設定一個數組，也許是這樣的：

string *psa = new string[10];      //array of 10 empty strings
int *pia = new int[10];           //array of 10 uninitialized ints
      

上面在申請一個數組時都用到了 

new []

 這個表達式來完成，按照我們上面講到的 new 和 delete 知識，第一個數組是 string 類型，配置設定了儲存對象的記憶體空間之後，将調用 string 類型的預設構造函數依次初始化數組中每個元素；第二個是申請具有内置類型的數組，配置設定了存儲 10 個 int 對象的記憶體空間，但并沒有初始化。

如果我們想釋放空間了，可以用下面兩條語句：

delete [] psa;
delete [] pia;
      

都用到 

delete []

 表達式，注意這地方的 [] 一般情況下不能漏掉！我們也可以想象這兩個語句分别幹了什麼：第一個對 10 個 string 對象分别調用析構函數，然後再釋放掉為對象配置設定的所有記憶體空間；第二個因為是内置類型不存在析構函數，直接釋放為 10 個 int 型配置設定的所有記憶體空間。

這裡對于第一種情況就有一個問題了：我們如何知道 psa 指向對象的數組的大小？怎麼知道調用幾次析構函數？

這個問題直接導緻我們需要在 new [] 一個對象數組時，需要儲存數組的次元，C++ 的做法是在配置設定數組空間時多配置設定了 4 個位元組的大小，專門儲存數組的大小，在 delete [] 時就可以取出這個儲存的數，就知道了需要調用析構函數多少次了。

還是用圖來說明比較清楚，我們定義了一個類 A，但不具體描述類的内容，這個類中有顯示的構造函數、析構函數等。那麼 當我們調用

時需要做的事情如下：

從這個圖中我們可以看到申請時在數組對象的上面還多配置設定了 4 個位元組用來儲存數組的大小，但是最終傳回的是對象數組的指針，而不是所有配置設定空間的起始位址。

這樣的話，釋放就很簡單了：

這裡要注意的兩點是：

• 調用析構函數的次數是從數組對象指針前面的 4 個位元組中取出；
• 傳入 

  operator delete[]

   函數的參數不是數組對象的指針 pAa，而是 pAa 的值減 4。

為什麼 new/delete 、new []/delete[] 要配對使用？

其實說了這麼多，還沒到我寫這篇文章的最原始意圖。從上面解釋的你應該懂了 new/delete、new[]/delete[] 的工作原理了，因為它們之間有差别，是以需要配對使用。但偏偏問題不是這麼簡單，這也是我遇到的問題，如下這段代碼：

int *pia = new int[10];
delete []pia;
      

這肯定是沒問題的，但如果把 

delete []pia;

 換成 

delete pia;

 的話，會出問題嗎？

這就涉及到上面一節沒提到的問題了。上面我提到了在 

new []

 時多配置設定 4 個位元組的緣由，因為析構時需要知道數組的大小，但如果不調用析構函數呢（如内置類型，這裡的 int 數組）？我們在 

new []

 時就沒必要多配置設定那 4 個位元組， delete [] 時直接到第二步釋放為 int 數組配置設定的空間。如果這裡使用 

delete pia;

那麼将會調用 

operator delete

 函數，傳入的參數是配置設定給數組的起始位址，所做的事情就是釋放掉這塊記憶體空間。不存在問題的。

這裡說的使用 

new []

 用 delete 來釋放對象的提前是：對象的類型是内置類型或者是無自定義的析構函數的類類型！

我們看看如果是帶有自定義析構函數的類類型，用 

new []

 來建立類對象數組，而用 delete 來釋放會發生什麼？用上面的例子來說明：

class A *pAa = new class A[3];
delete pAa;
      

那麼 

delete pAa;

 做了兩件事：

• 調用一次 pAa 指向的對象的析構函數；
• 調用 

  operator delete(pAa);

   釋放記憶體。

顯然，這裡隻對數組的第一個類對象調用了析構函數，後面的兩個對象均沒調用析構函數，如果類對象中申請了大量的記憶體需要在析構函數中釋放，而你卻在銷毀數組對象時少調用了析構函數，這會造成記憶體洩漏。

上面的問題你如果說沒關系的話，那麼第二點就是緻命的了！直接釋放 pAa 指向的記憶體空間，這個總是會造成嚴重的段錯誤，程式必然會奔潰！因為配置設定的空間的起始位址是 pAa 指向的地方減去 4 個位元組的地方。你應該傳入參數設為那個位址！

同理，你可以分析如果使用 new 來配置設定，用 

delete []

 來釋放會出現什麼問題？是不是總會導緻程式錯誤？

總的來說，記住一點即可：new/delete、new[]/delete[] 要配套使用總是沒錯的！