一、C/C++内存分布
让我们再来回顾一下，C/C++的程序内存分布，以便于我们更好地理解。
【说明】
- 栈又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
- 内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。（学习Linux中会详细讲解）
- 堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
- 数据段–存储全局数据和静态数据。
- 代码段–可执行的代码/只读常量
二、new和delete的使用方式
2.1 C语言内存管理
回顾一下之前学习的C语言内存管理的方式，这里用最常用的malloc举例：
void Test() { //动态申请10个int类型的空间 int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int)); if (p == nullptr) { perror("malloc fail"); return 1; } //... free(p); p = nullptr; }
2.2 C++内存管理
有些场景，C语言内存管理用起来很麻烦，甚至无法达到相应的效果。所以C++就引入了两个操作符——new/delete
2.2.1 new和delete操作内置类型
void Test() { //动态申请1个int类型的空间 int* p1 = new int; //动态申请10个int类型的空间 int* p2 = new int[10]; //... delete p1; delete[] p2; }
注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，匹配起来使用。
同时，C++使用new还有一个好处，那就是动态申请空间时初始化。
void Test() { //动态申请1个int类型的空间并初始化为1 int* p1 = new int(1); //动态申请10个int类型的空间并初始化为1，2，3，4，5 int* p2 = new int[10] {1, 2, 3, 4, 5}; //... delete p1; delete[] p2; }
2.2.2 new和delete操作自定义类型
其实，new/delete 和 malloc/free 最大区别是 new/delete对于【自定义类型】除了开空间还会调用构造函数和析构函数。
class A { public: A(int a = 1) : _a(a) { cout << "A(int)" << endl; } ~A() { cout << "~A()" << endl; } private: int _a; }; int main() { A* p1 = new A;//会调用构造函数初始化 A* p2 = (A*)malloc(sizeof(A));//不会 A* p3 = new A[10];//会调用构造函数初始化 A* p4 = (A*)malloc(10 * sizeof(A));//不会 return 0; }
注意：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。
三、new和delete的底层原理
3.1 operator new与operator delete函数
我们知道，对于对象，new先开辟空间，再调用构造函数，delete先调用析构函数，再释放空间。那么，它们是如何开辟和释放空间的呢？
这就关乎到operator new与operator delete函数
new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new 和operator delete是系统提供的
全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。
注意：别看有operator，其实和运算符重载没有关系（这里只是取函数名的人取的不好罢了。。。）
下面给出两个函数的具体实现（看不懂没关系，大概理解意思即可）
operator new：该函数实际通过
malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；申请空间失败，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，则继续申请，否则抛异常。
void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc) { // try to allocate size bytes void *p; while ((p = malloc(size)) == 0) if (_callnewh(size) == 0) { // report no memory // 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常 static const std::bad_alloc nomem; _RAISE(nomem); } return (p); }
operator delete: 该函数最终是通过
free来释放空间的
void operator delete(void *pUserData) { _CrtMemBlockHeader * pHead; RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0)); if (pUserData == NULL) return; _mlock(_HEAP_LOCK); /* block other threads */ __TRY /* get a pointer to memory block header */ pHead = pHdr(pUserData); /* verify block type */ _ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse)); _free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse ); __FINALLY _munlock(_HEAP_LOCK); /* release other threads */ __END_TRY_FINALLY return; }
free：本质是一个宏，也是调用_free_dbg这个函数
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)
简单理解：operator new是对malloc进行封装，operator delete是对free进行封装（类似对比：引用的底层原理也是指针实现的）
所以，这也解释了为什么new不需要检查指针的有效性，因为malloc失败了返回空指针，而new失败了抛异常。
3.2 原理总结
3.2.1 内置类型
- 如果申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似
- 不同的地方是：new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间
- 而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。
3.2.2 自定义类型
- new的原理
- 调用operator new函数申请空间
- 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
- delete的原理
- 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
- 调用operator delete函数释放对象的空间
- new T[N]的原理
- 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N 个对象空间的申请
- 在申请的空间上执行N次构造函数
- delete[]的原理
- 在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理
- 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间
四、定位new表达式(placement-new)
定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。
使用格式：
- new (place_address) type或者new (place_address) type(initializer-list)
- place_address必须是一个指针，initializer-list是类型的初始化列表
// 定位new/replacement new int main() { A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A)); new(p1)A; // 注意：如果A类的构造函数有参数时，此处需要传参 p1->~A(); free(p1); A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A)); new(p2)A(10); p2->~A(); operator delete(p2); return 0; }
看到这里，有人可能就会问，直接new和delete不是自动调用构造/析构函数吗？为什么还要先malloc，再用定位new调用构造函数呢，这不是多此一举吗？
其实，正常情况下，确实直接用new和delete就可以了，而定位new是使用在一种特殊场景——内存池。
因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显式调构造函数进行初始化。
如果你还要问为什么要用内存池，因为向操作系统申请空间较慢，而直接向创建好的内存池申请空间就很快！
就比如，楼下有超市（操作系统），你家有冰箱（内存池），直接从超市一次性买一周的食物存在冰箱里，比每天下楼买食物，要快捷和方便吧。
真诚点赞，手有余香
