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淺談C++中各種不同意義的new和delete的使用_C 語言

作者:林夕07 ? 更新時間: 2022-10-09 編程語言

前言

有時候我們覺得,C++術語仿佛是要故意讓人難以理解似的。這里就有一個例子:請說明new operator 和 operator new 之間的差異。
上面這段話出自《More Effective C++》中的條款8。有興趣的讀者可以閱讀這本書。現在就讓我們揭開這神秘的面紗吧。

new 到底做了什么

new是C++的一個關鍵字、操作符。
當我們執行Test* pt = new Test();這句代碼時,實際上干了三件事情:

  • 分配內存
  • 調用Constructor函數
  • 返回分配好的指針

為什么這么說呢?口說無憑眼見為實,請接著往下看。

通過VS2022查看匯編代碼進行驗證

首先我們需要寫一個空類,然后在main中new出這個類。代碼可參考如下:

class A
{
public:
	A()
	{
		
	}
	~A()
	{
		
	}
};

int main()
{
	A* p = new A();


	delete p;
	p = nullptr;
	return 0;
}

第一步:在創建這一行添加斷點(可左擊該行行首或者在該行按F9即可)。
第二步:開始調試到當前斷點處(可按F5)。
第三步:在上方功能欄中點擊【Debug】->【Windows】->【Disassembly】。中文對應的是【調試】->【窗口】->【反匯編】。詳細請看下圖。

操作完上面三步之后我們就到了匯編代碼。由于重點不是研究匯編語言,所以這里我就僅對上面那三步進行標記。驗證一下上面的一個猜想。

那么這里我們用到的new操作符,也就是new operator,在《C++ Primer》書中也被稱為new expression

operator new

功能:只負責內存分配
operator new默認情況下調用分配內存的代碼,去嘗試在堆區獲取一段空間,如果成功就返回,如果失敗,則調用new_hander。有關new_hander我之前寫了一篇:new_hander文章鏈接

重載類內operator new

下面對operator new重載,進行測試;

class A
{
public:
	A()
	{
		std::cout << "Call A Constructor!" << std::endl;
	}
	~A()
	{
		std::cout << "Call A Destructor!" << std::endl;
	}

	void* operator new(size_t size)
	{
		std::cout << "Call operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
		return ::operator new(size); // 通過::operator new調用了全局的new
	}

};
int main()
{
	A* pt = new A();

	delete pt;
	pt = nullptr;

	return 0;
}

運行結果:

可以看到先打印類內的operator new再調用constructor函數最后調用destructor函數。

重載全局 ::operator new

若要重載全局的::operator new時,最后就不能return 自身了需要寫成malloc(size)。對應的delete也有delete operatoroperator delete倆種,operator delete也是可以重載的。所以一般來說重載了operator new 就需要重載對應的operator delete了。
具體請看下面的代碼:

新增一個全局的operator new函數

void* operator new(size_t size)
{
	std::cout << "Call global operator new" << "\t" << size << std::endl;
	return malloc(size);
}

運行結果:

直接調用operator new

該函數我們可以進行重載,但是第一參數的類型必須是size_t。而且我們還可以單獨調用operator new。將返回一個void類型的指針。

在原有代碼基礎上,增加一個成員函數用于輸出日志。

class A
{
public:
	A()
	{
		std::cout << "Call A Constructor!" << std::endl;
	}
	~A()
	{
		std::cout << "Call A Destructor!" << std::endl;
	}

	void* operator new(size_t size)
	{
		std::cout << "Call operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
		return ::operator new(size); // 通過::operator new調用了全局的new
	}
	void print()
	{
		std::cout << "ha ha !" << std::endl;
	}
};

void* operator new(size_t size)
{
	std::cout << "Call global operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
	return malloc(size);
}

int main()
{
	void* rawMemory = operator new(sizeof(A));

	A* pa = static_cast<A*>(rawMemory);
	pa->print();

	delete pa;
	pa = nullptr;
	
	return 0;
}

運行結果:

可以看到只打印了全局的operator new函數已經析構函數。

Placement new

頭文件:#include <new> 或者#include <new.h>
可以直接調用constructor函數,是operator new的一個特殊版本,也被稱為placement new函數。

需要實現一個void* operator new(size_t, void* location)的重載版本。不需要申請內存只需要返回當前對象即可。
調用的語法:new(ObjectName) ClassName(構造函數的參數)

class A
{
public:
	A()
	{
		std::cout << "Call A Constructor!" << std::endl;
	}
	~A()
	{
		std::cout << "Call A Destructor!" << std::endl;
	}

	void* operator new(size_t size)
	{
		std::cout << "Call operator new" << "\t size = " << size << std::endl;
		return ::operator new(size); // 通過::operator new調用了全局的new
	}

	void* operator new(size_t size, void* location)
	{
		std::cout << "Call operator new(size_t size, void* location)" << std::endl;
		return location;
	}
	void print()
	{
		std::cout << "ha ha !" << std::endl;
	}
};

int main()
{
	void* rawMemory = operator new(sizeof(A));

	A* pa = static_cast<A*>(rawMemory); // 創建內存

	new(pa) A(); // 調用構造函數

	pa->print();

	delete pa;
	pa = nullptr;

	return 0;
}

運行結果:

這里的operator new的目的是要為對象找內存,然后返回一個指針指向它。在placement new的情況下,調用者已經知道指向內存的指針了,所以placement new唯一需要做的就是將已獲得指針進行返回。雖然說size_t參數沒有用到但是必須要加,之所以不給形參名是因為防止編譯器抱怨“某某變量未被使用”。

刪除與內存釋放

為了避免內存泄漏,每一個動態分配都必須匹配一個釋放動作。
內存釋放的動作是由operator delete執行,函數原型:void operator delete(void* object);

當我們寫了這句代碼時delete pa;實際上執行了倆件事。
1、調用destructor函數
2、釋放對象所占的內存資源

轉換成代碼就相當于:

	pa->~A();
	operator delete(pa);

使用operator new創建對象該如何釋放

當我們在創建對象時,沒有調用constructor函數,那么釋放內存時也不需要調用destructor函數。只需要operator delete(pa);

int main()
{
	void* rawMemory = operator new(sizeof(A));
	
.	...其他代碼	

	operator delete(rawMemory);
	return 0;
}

上面這段代碼其實就等價于C語言里面調用malloc和free函數。

使用placement new創建對象時該如何釋放

如果使用placement new在內存中產生對象,我們不能使用delete operator,因為會調用operator delete函數來釋放內存。首先該內存并不是由該對象的operator new函數分配而來。它僅僅做了一個返回而已,所以這種情況下只需要調用destructor函數即可。

int main()
{
	void* rawMemory = operator new(sizeof(A));
	

	A* pa = static_cast<A*>(rawMemory); // 創建內存

	new(pa)A(); // 調用構造函數

	pa->~A();
	pa = nullptr;

	operator delete(rawMemory);
	return 0;
}

在上面這段代碼中,pa對象就是使用placement new,所以最后只需要調用destructor函數。

針對數組的創建和釋放

當我們使用A* pa = new A[10];這段代碼時,分配內存的方式將會發生變化。
1、由operator new 改為 operator new[],也被叫為array new。同樣array new也可以被重載,
2、array new必須調用數組中的每個對象的constructor函數。上面那個例子就會調用10個A的無參構造函數。
3、array new在釋放內存時。上面那個例子就會調用10個A的destructor函數。
4、該類必須有無參構造函數。

所以我們同樣也可以修改operator new[]所調用的 new operator函數,以及delete[] operator。

系統維護開銷

在面對數組時,new 會額外分配空間來存儲new的長度(一般為一個指針大小,32位平臺下4字節,64位平臺下8字節)。這個叫系統維護開銷。
下面是測試代碼,類A是個空類只占一個字節,正常來說應該申請10個字節的內存。

int main()
{
	A* pa = new A[10];


	delete[] pa;
	return 0;
}

32位環境下:

64位環境下:

可以看到對申請了一個指針的內存用來存放申請對象的個數。

總結

下面針對new的三種使用方式做了一個使用場景總結,切記操作對應的new 時還需要對應的delete。
1、需要將對象創建在堆區,那么就使用 new operator 也就是new操作符。它會幫你分配內存并調用constructor函數。
2、僅需要分配內存,那么就使用operator new,這樣就不會調用constructor函數。
3、需要在堆區創建對象時自定義內存分配方式,那么就需要重寫operator new函數然后使用new operator即可。
4、需要在已分配的內存中調用構造函數,那么就使用placement new

原文鏈接:https://blog.csdn.net/qq_45254369/article/details/126276038

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