C++ new 和 delete

在C++中，new 和 delete 是用于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和釋放的運(yùn)算符。

它們?cè)试S程序在運(yùn)行時(shí)管理堆內(nèi)存，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如鏈表、樹）和靈活資源管理的基礎(chǔ)。

1. 基本語法

new 運(yùn)算符

• 分配單個(gè)對(duì)象：

Type* ptr = new Type;         // 默認(rèn)初始化（內(nèi)置類型值未定義）
Type* ptr = new Type(value);  // 直接初始化
Type* ptr = new Type{value};  // 列表初始化（C++11起）

• 分配數(shù)組：

Type* arr = new Type[size];   // 分配包含size個(gè)元素的數(shù)組

• 值初始化：

Type* ptr = new Type();       // 值初始化為0或默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)

delete 運(yùn)算符

• 釋放單個(gè)對(duì)象：

delete ptr;  // 調(diào)用析構(gòu)函數(shù)（如有）并釋放內(nèi)存

• 釋放數(shù)組：

delete[] arr;  // 釋放數(shù)組內(nèi)存，需使用[]告知編譯器釋放多個(gè)對(duì)象

2. 工作原理

new 的執(zhí)行步驟

• 內(nèi)存分配：調(diào)用 operator new（或 operator new[] 用于數(shù)組）分配原始內(nèi)存。
• 構(gòu)造函數(shù)調(diào)用：在分配的內(nèi)存上調(diào)用對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)（若為類類型）。

delete 的執(zhí)行步驟

• 析構(gòu)函數(shù)調(diào)用：對(duì)對(duì)象調(diào)用析構(gòu)函數(shù)（若為類類型）。
• 內(nèi)存釋放：調(diào)用 operator delete（或 operator delete[]）釋放內(nèi)存。

3. 深入理解 new 和 delete

原始內(nèi)存操作

operator new 和 operator delete：

底層函數(shù)，可被重載以自定義內(nèi)存分配行為。

void* operator new(size_t size);      // 分配單個(gè)對(duì)象
void* operator new[](size_t size);    // 分配數(shù)組
void operator delete(void* ptr);      // 釋放單個(gè)對(duì)象
void operator delete[](void* ptr);    // 釋放數(shù)組

示例：

void* raw_memory = operator new(sizeof(int));  // 分配原始內(nèi)存
int* ptr = static_cast<int*>(raw_memory);      // 轉(zhuǎn)換為int指針
*ptr = 42;                                      // 手動(dòng)賦值
operator delete(ptr);                           // 釋放內(nèi)存（不調(diào)用析構(gòu)函數(shù)）

定位 new（Placement New）

在已分配的內(nèi)存上構(gòu)造對(duì)象：

void* buffer = operator new(sizeof(MyClass));  // 分配原始內(nèi)存
MyClass* obj = new (buffer) MyClass();         // 在buffer上構(gòu)造對(duì)象
obj->~MyClass();                               // 顯式調(diào)用析構(gòu)函數(shù)
operator delete(buffer);                       // 釋放內(nèi)存

4. 數(shù)組的動(dòng)態(tài)分配

分配與釋放數(shù)組

int* arr = new int[10];       // 分配10個(gè)int的數(shù)組
delete[] arr;                 // 釋放數(shù)組

// 多維數(shù)組
int** matrix = new int*[5];   // 分配5行
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    matrix[i] = new int[10];  // 每行10列
}
// 釋放
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    delete[] matrix[i];
}
delete[] matrix;

數(shù)組初始化

int* arr = new int[5]{1, 2, 3, 4, 5};  // C++11起支持列表初始化

在對(duì)數(shù)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配時(shí)，會(huì)自動(dòng)在之前多分配一塊空間用來儲(chǔ)存所要開辟的空間個(gè)數(shù)，以便將來用delete釋放空間。

5.new和delete的實(shí)現(xiàn)原理

5.1 內(nèi)置類型

如果申請(qǐng)的是內(nèi)置類型的空間，new和malloc，delete和free基本類似，不同的地方是：

new/delete申請(qǐng)和釋放的是單個(gè)元素的空間，new[]和delete[]申請(qǐng)的是連續(xù)空間，而且new在申請(qǐng)空間失敗時(shí)會(huì)拋異常，malloc會(huì)返回NULL。

5.2 自定義類型

new的原理

• 調(diào)用operator new函數(shù)申請(qǐng)空間
• 在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，完成對(duì)象的構(gòu)造

delete的原理

• 在空間上執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)，完成對(duì)象中資源的清理工作
• 調(diào)用operator delete函數(shù)釋放對(duì)象的空間

new T[N]的原理

• 調(diào)用operator new[]函數(shù)，在operator new[]中實(shí)際調(diào)用operator new函數(shù)完成N個(gè)對(duì)象空間的申請(qǐng)
• 在申請(qǐng)的空間上執(zhí)行N次構(gòu)造函數(shù)

delete[]的原理

• 在釋放的對(duì)象空間上執(zhí)行N次析構(gòu)函數(shù)，完成N個(gè)對(duì)象中資源的清理
• 調(diào)用operator delete[]釋放空間，實(shí)際在operator delete[]中調(diào)用operator delete來釋放空間

6. 常見問題與注意事項(xiàng)

內(nèi)存泄漏

原因：忘記調(diào)用 delete 釋放 new 分配的內(nèi)存。

示例：

void leak() {
    int* ptr = new int;  // 分配內(nèi)存
    // 未釋放內(nèi)存就返回
}  // 內(nèi)存泄漏！

懸空指針

原因：釋放內(nèi)存后仍保留指向該內(nèi)存的指針。

示例：

int* ptr = new int;
delete ptr;
*ptr = 10;  // 懸空指針解引用，未定義行為

重復(fù)釋放

原因：多次釋放同一塊內(nèi)存。

示例：

int* ptr = new int;
delete ptr;
delete ptr;  // 重復(fù)釋放，未定義行為

混用 delete 和 delete[]

錯(cuò)誤示例：

int* arr = new int[10];
delete arr;  // 錯(cuò)誤！應(yīng)使用delete[]

對(duì)于內(nèi)置類型，程序會(huì)崩潰；而對(duì)于自定義類型，程序不會(huì)崩潰。

7. 自定義內(nèi)存管理

重載全局 operator new 和 operator delete

void* operator new(size_t size) {
    void* p = malloc(size);
    // 可添加內(nèi)存分配日志、性能監(jiān)控等
    return p;
}

void operator delete(void* p) noexcept {
    free(p);
    // 可添加內(nèi)存釋放日志等
}

類特定的內(nèi)存管理

class MyClass {
public:
    static void* operator new(size_t size) {
        // 自定義分配邏輯
        return ::operator new(size);
    }
    
    static void operator delete(void* p) noexcept {
        // 自定義釋放邏輯
        ::operator delete(p);
    }
};

8. 與C語言內(nèi)存管理的對(duì)比

malloc/free和new/delete的共同點(diǎn)是：都是從堆上申請(qǐng)空間，并且需要用戶手動(dòng)釋放。

不同的地方是：

• malloc和free是函數(shù)，new和delete是操作符
• malloc申請(qǐng)的空間不會(huì)初始化，new可以初始化
• malloc申請(qǐng)空間時(shí)，需要手動(dòng)計(jì)算空間大小并傳遞，new只需在其后跟上空間的類型即可， 如果是多個(gè)對(duì)象，[]中指定對(duì)象個(gè)數(shù)即可
• malloc的返回值為void*, 在使用時(shí)必須強(qiáng)轉(zhuǎn)，new不需要，因?yàn)閚ew后跟的是空間的類型
• malloc申請(qǐng)空間失敗時(shí)，返回的是NULL，因此使用時(shí)必須判空，new不需要，但是new需要捕獲異常
• 申請(qǐng)自定義類型對(duì)象時(shí)，malloc/free只會(huì)開辟空間，不會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù)，而new在申請(qǐng)空間后會(huì)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)完成對(duì)象的初始化，delete在釋放空間前會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)完成空間中資源的清理釋放

總結(jié)

new/delete 是C++動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的核心機(jī)制，適用于：

• 需要在運(yùn)行時(shí)確定對(duì)象生命周期。
• 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如鏈表、樹）。
• 優(yōu)先使用智能指針：現(xiàn)代C++中，std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 能有效避免內(nèi)存泄漏，提高代碼安全性。
• 謹(jǐn)慎手動(dòng)管理內(nèi)存：必須確保 new 和 delete 配對(duì)使用，避免懸空指針和重復(fù)釋放。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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