深入了解C++中各种不同意义的new和delete

发布于:2023-01-20 ⋅ 阅读:(7) ⋅ 点赞:(0) ⋅ 评论:(0)

前言

有时候我们觉得,C++术语仿佛是要故意让人难以理解似的。这里就有一个例子:请说明new operator 和 operator new 之间的差异。
上面这段话出自《More Effective C++》中的条款8。有兴趣的读者可以阅读这本书。现在就让我们揭开这神秘的面纱吧。

new 到底做了什么

new是C++的一个关键字、操作符。
当我们执行Test* pt = new Test();这句代码时,实际上干了三件事情:

  1. 分配内存
  2. 调用Constructor函数
  3. 返回分配好的指针

为什么这么说呢?口说无凭眼见为实,请接着往下看。

通过VS2022查看汇编代码进行验证

首先我们需要写一个空类,然后在main中new出这个类。代码可参考如下:

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

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


	delete p;
	p = nullptr;
	return 0;
}

第一步:在创建这一行添加断点(可左击该行行首或者在该行按F9即可)。
第二步:开始调试到当前断点处(可按F5)。
第三步:在上方功能栏中点击【Debug】->【Windows】->【Disassembly】。中文对应的是【调试】->【窗口】->【反汇编】。详细请看下图。
在这里插入图片描述
操作完上面三步之后我们就到了汇编代码。由于重点不是研究汇编语言,所以这里我就仅对上面那三步进行标记。验证一下上面的一个猜想。
在这里插入图片描述

那么这里我们用到的new操作符,也就是new operator,在《C++ Primer》书中也被称为new expression

operator new

功能:只负责内存分配
operator new默认情况下调用分配内存的代码,去尝试在堆区获取一段空间,如果成功就返回,如果失败,则调用new_hander。有关new_hander我之前写了一篇:new_hander文章链接

重载类内operator new

下面对operator new重载,进行测试;

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); // 通过::operator new调用了全局的new
	}

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

	delete pt;
	pt = nullptr;

	return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述
可以看到先打印类内的operator new再调用constructor函数最后调用destructor函数。

重载全局 ::operator new

若要重载全局的::operator new时,最后就不能return 自身了需要写成malloc(size)。对应的delete也有delete operatoroperator delete俩种,operator delete也是可以重载的。所以一般来说重载了operator new 就需要重载对应的operator delete了。
具体请看下面的代码:

新增一个全局的operator new函数

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

运行结果:
在这里插入图片描述

直接调用operator new

该函数我们可以进行重载,但是第一参数的类型必须是size_t。而且我们还可以单独调用operator new。将返回一个void类型的指针。

在原有代码基础上,增加一个成员函数用于输出日志。

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); // 通过::operator new调用了全局的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;
}

运行结果:
在这里插入图片描述
可以看到只打印了全局的operator new函数已经析构函数。

Placement new

头文件:#include <new> 或者#include <new.h>
可以直接调用constructor函数,是operator new的一个特殊版本,也被称为placement new函数。

需要实现一个void* operator new(size_t, void* location)的重载版本。不需要申请内存只需要返回当前对象即可。
调用的语法:new(ObjectName) ClassName(构造函数的参数)

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); // 通过::operator new调用了全局的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); // 创建内存

	new(pa) A(); // 调用构造函数

	pa->print();

	delete pa;
	pa = nullptr;

	return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述
这里的operator new的目的是要为对象找内存,然后返回一个指针指向它。在placement new的情况下,调用者已经知道指向内存的指针了,所以placement new唯一需要做的就是将已获得指针进行返回。虽然说size_t参数没有用到但是必须要加,之所以不给形参名是因为防止编译器抱怨“某某变量未被使用”。

删除与内存释放

为了避免内存泄漏,每一个动态分配都必须匹配一个释放动作。
内存释放的动作是由operator delete执行,函数原型:void operator delete(void* object);

当我们写了这句代码时delete pa;实际上执行了俩件事。
1、调用destructor函数
2、释放对象所占的内存资源

转换成代码就相当于:

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

使用operator new创建对象该如何释放

当我们在创建对象时,没有调用constructor函数,那么释放内存时也不需要调用destructor函数。只需要operator delete(pa);

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

	operator delete(rawMemory);
	return 0;
}

上面这段代码其实就等价于C语言里面调用malloc和free函数。

使用placement new创建对象时该如何释放

如果使用placement new在内存中产生对象,我们不能使用delete operator,因为会调用operator delete函数来释放内存。首先该内存并不是由该对象的operator new函数分配而来。它仅仅做了一个返回而已,所以这种情况下只需要调用destructor函数即可。

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

	A* pa = static_cast<A*>(rawMemory); // 创建内存

	new(pa)A(); // 调用构造函数

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

	operator delete(rawMemory);
	return 0;
}

在上面这段代码中,pa对象就是使用placement new,所以最后只需要调用destructor函数。

针对数组的创建和释放

当我们使用A* pa = new A[10];这段代码时,分配内存的方式将会发生变化。
1、由operator new 改为 operator new[],也被叫为array new。同样array new也可以被重载,
2、array new必须调用数组中的每个对象的constructor函数。上面那个例子就会调用10个A的无参构造函数。
3、array new在释放内存时。上面那个例子就会调用10个A的destructor函数。
4、该类必须有无参构造函数。

所以我们同样也可以修改operator new[]所调用的 new operator函数,以及delete[] operator。

系统维护开销

在面对数组时,new 会额外分配空间来存储new的长度(一般为一个指针大小,32位平台下4字节,64位平台下8字节)。这个叫系统维护开销。
下面是测试代码,类A是个空类只占一个字节,正常来说应该申请10个字节的内存。

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


	delete[] pa;
	return 0;
}

32位环境下:
在这里插入图片描述
64位环境下:
在这里插入图片描述
可以看到对申请了一个指针的内存用来存放申请对象的个数。

总结

下面针对new的三种使用方式做了一个使用场景总结切记操作对应的new 时还需要对应的delete。
1、需要将对象创建在堆区,那么就使用 new operator 也就是new操作符。它会帮你分配内存并调用constructor函数。
2、仅需要分配内存,那么就使用operator new,这样就不会调用constructor函数。
3、需要在堆区创建对象时自定义内存分配方式,那么就需要重写operator new函数然后使用new operator即可。
4、需要在已分配的内存中调用构造函数,那么就使用placement new