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C++ 动态内存管理详讲

backend 2025/5/3 12:58:43

1. 四个全局函数的定义与作用

这四个函数只负责空间的开辟和释放，不会调构造和析构

(1) `::operator new`

cpp

void* operator new(size_t size);  // 全局版本

功能：分配 size 字节的未初始化内存。
底层实现：调用 malloc(size)。
调用场景：
- 直接调用：void* p = ::operator new(100);（手动分配 100 字节）。
- 间接调用：new T 会先调用 operator new(sizeof(T))，然后调T构造函数初始化成员变量。

(2) `::operator delete`

cpp

void operator delete(void* ptr) noexcept;  // 全局版本

功能：释放 operator new 分配的内存。
底层实现：调用 free(ptr)。
调用场景：
- 直接调用：::operator delete(p)，释放空间;。
- 间接调用：delete p 会先调用析构函数释放资源内存空间，再调用 operator delete(p)释放对象本身空间。

(3) `::operator new[]`

cpp

void* operator new[](size_t size);  // 全局版本

功能：分配 size 字节的未初始化内存（用于数组）。
底层实现：封装调用 operator new(size)，更底层就是malloc。
调用场景：
- 直接调用：void* p = ::operator new[](100);。
- 间接调用：new T[n] 会先调用 operator new[](n * sizeof(T) + 额外空间)，然后调用n次构造函数。

(4) `::operator delete[]`

cpp

void operator delete[](void* ptr) noexcept;  // 全局版本

功能：释放 operator new[] 分配的内存。
底层实现：调用 operator delete(ptr)（即 free）。
调用场景：
- 直接调用：::operator delete[](p);。
- 间接调用：delete[] p 会先调用n次析构函数释放资源，再调用 operator delete[](p)释放整块对象本身空间。

2. 与 `new`/`delete` 的关系

操作	底层调用	额外行为
`new T`	`::operator new(sizeof(T))`	调用构造函数
`delete p`	`::operator delete(p)`	先调用析构函数
`new T[n]`	`::operator new[](n * sizeof(T) + 额外)`	调用 `n` 次构造函数
`delete[] p`	`::operator delete[](p)`	先调用 `n` 次析构函数

关键区别

operator new/delete 只负责 内存分配/释放，不涉及构造/析构。
new/delete 是 更高层的操作，会额外调用构造/析构函数。

3. 为什么需要额外空间？

当使用 new T[n] 时：

如果 T 是内置类型（如 int、char），在释放时只需要释放内存，无需调用析构函数，因此开辟空间时可能不需要额外空间。
如果 T 是自定义类型（有析构函数），delete[] 必须知道数组大小 n，才能正确调用 n 次析构函数。

问题：delete[] 如何知道 n？
答案：编译器会在 operator new[] 分配的内存中隐式插入 n，通常是存储在返回指针之前的额外空间里。

4. 额外空间的存储方式

(1) 典型的内存布局

[对象数量 n][T 对象 0][T 对象 1]...[T 对象 n-1]↑p（返回给用户的指针）

p 是用户得到的指针，指向第一个对象 T[0]。
p - sizeof(size_t) 的位置可能存储 n（具体偏移量由编译器决定）。

(2) 分配的总大小

operator new[] 实际分配的内存大小：

cpp

总大小 = sizeof(T) * n + 额外空间（存储 n 或其他元数据）=sz（传参） + sizeof（n）

额外空间的大小：
- 可能是 sizeof(size_t)（存储 n）。

5. `delete[]` 如何利用额外空间？

当调用 delete[] p 时：

定位 n：
- 编译器生成代码，从 p - offset 处读取 n（offset 是编译器决定的，通常是 sizeof(size_t)）。
调用析构函数：
- 逆序调用 n 次析构函数（从 p[n-1] 到 p[0]）。
释放内存：
- 调用 operator delete[](original_ptr)，其中 original_ptr 是 operator new[] 返回的原始指针（比 p 小，指向分配块的起始地址）。

6. 关键问题解答

(1) 为什么 `new[]` 和 `delete[]` 必须配对使用？

new[] 可能分配额外空间存储 n，而 delete[] 依赖这个信息调用析构函数。

(2) 如何手动模拟 `new[]` 和 `delete[]`？

cpp

// 手动实现 new[]
void* operator new[](size_t size) {size_t total_size = size + sizeof(size_t);  // 额外空间存 nvoid* ptr = malloc(total_size);*(size_t*)ptr = size / sizeof(T);  // 存储 nreturn (char*)ptr + sizeof(size_t);  // 返回用户指针
}// 手动实现 delete[]
void operator delete[](void* p) noexcept {size_t* hidden_n = (size_t*)p - 1;size_t n = *hidden_n;for (size_t i = n; i > 0; --i) {((T*)p)[i - 1].~T();  // 调用析构函数}free(hidden_n);  // 释放原始指针
}