C++ 内存管理：new/delete 原理及与 malloc/free 对比

一、C++ 内存管理方式

C 语言的内存管理方式在 C++ 中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来相对繁琐一些，因此，C++ 又提出了自己的内存管理方式：通过 new 和 delete 操作符进行动态内存管理。

1.1 new/delete 操作内置类型

void test() {
    // 动态申请一个 int 类型的空间
    int* ptr1 = new int;
    // 动态申请一个 int 类型的空间并初始化为 10
    int* ptr2 = new int(10);
    // 动态申请 10 个 int 类型的空间
    int* ptr3 = new int[10];
    delete ptr1;
    delete ptr2;
    delete[] ptr3;
}

1.2 new/delete 操作自定义类型

在操作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 和 free 不会。

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    A(int a = 0) : _a(a) { cout << "A():" << this << endl; }
    ~A() { cout << "~A():" << this << endl; }
private:
    int _a;
};

int main() {
    // new/delete 调用构造函数/析构函数
    A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
    A* p2 = new A(1); // 调用构造函数
    free(p1);
    delete p2; // 调用析构函数
    
    // 内置类型几乎一样
    int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int));
    int* p4 = new int;
    free(p3);
    delete p4;
    
    A* p5 = (int*)malloc(sizeof(A)*10);
    A* p6 = new A[10];
    free(p5);
    delete[] p6;
    return 0;
}

二、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。

三、new 和 delete 的实现原理

3.1 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元素空间，new[] 和 delete[] 申请的是连续空间，而且 new 在申请空间失败时会抛出异常，malloc 会返回 NULL。

3.2 自定义类型

• new 的原理
  1. 调用 operator new 函数申请空间
  2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
• delete 的原理
  1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
  2. 调用 operator delete 函数释放对象的空间
• new T[N] 的原理
  1. 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
  2. 在申请的空间上执行 N 次构造函数
• delete[] 的原理
  1. 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
  2. 调用 operator delete[] 释放空间，实际在 operator delete[] 中调用 operator delete 来释放空间

四、malloc/free 和 new/delete 的区别

malloc/free 和 new/delete 的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。其不同点见如下表格：

malloc/free	new/delete
函数	操作符
申请的空间不会初始化	可以初始化
需要手动计算空间大小并传递	后跟类型即可，若为多个对象在 [] 中指定
malloc 返回类型为 void*使用须强转	new 后跟的是空间的类型
malloc 申请空间失败返回 NULL 必须判空	new 不需要判空但需要捕获异常
自定义类型对象时只会开辟空间	申请自定义类型对象时会调用构造函数和析构函数

总结

本文介绍了 C++ 中内存管理的操作符 new 和 delete，并详细介绍了他们的使用方法和基本原理同时与 C 中的 malloc 函数和 free 函数做对比，深化理解了二者的不同，便于更好的使用二者。