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C++中new和delete的多重面孔：operator new、new operator与placement new解析

news 2025/7/26 22:46:43

《More Effective C++：35个改善编程与设计的有效方法》
读书笔记：了解各种不同意义的new和delete
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在C++的内存管理体系中，new和delete看似简单，实则隐藏着多层逻辑。许多开发者对 new operator、operator new 和 placement new 的区别感到困惑。本文将逐层拆解这些概念，帮你掌握内存分配与对象构造的底层逻辑。

一、new operator：语言内置的“双任务”操作符

我们日常写的 new Type(...) 其实是 new operator（新表达式），它的行为由语言内置，不可直接修改。其核心工作分为两步：

分配内存：调用 operator new 函数，申请足够容纳 Type 对象的内存；
构造对象：调用 Type 的构造函数，初始化刚分配的内存。

示例：

string* ps = new string("Memory Management");

编译器会隐式生成类似以下逻辑：

// 1. 分配内存（调用 operator new）
void* raw_memory = operator new(sizeof(string));  
// 2. 构造对象（编译器通过 placement new 实现）
string* ps = new (raw_memory) string("Memory Management");

二、operator new：可重载的内存分配函数

operator new 是普通函数，负责纯粹的内存分配，不涉及构造函数。它的原型为：

void* operator new(size_t size);

关键特性：

可定制性：可全局或类内重载，实现自定义内存分配策略（如内存池、统计分配次数）；
直接调用：仅分配内存，返回未初始化的 void*，需后续手动构造对象。

示例：

// 仅分配内存，无构造函数调用
void* raw_memory = operator new(sizeof(string));

三、placement new：在指定内存上构造对象

placement new 是 operator new 的特殊重载版本，允许在已有的内存地址上构造对象，跳过“分配内存”步骤。

核心逻辑：

原型（标准库实现）：

void* operator new(size_t, void* location) {  return location; // 直接返回传入的内存地址，不分配新内存  
}

使用场景：
- 内存池：预先分配大块内存，后续在其上构造对象（减少分配开销）；
- 共享内存/内存映射IO：对象必须位于特定地址。

使用步骤：

准备原始内存：可以是栈内存、共享内存等（需保证内存大小和对齐正确）；
调用 placement new 构造对象；
手动调用析构函数（因 delete 会调用 operator delete，而此处内存可能非 operator new 分配，故不能直接 delete）；
释放原始内存（若内存是动态分配的）。

示例：

class Widget {  
public:  Widget(int size) {}  ~Widget() {}  
};  // 步骤1：准备栈内存（也可是共享内存等）  
alignas(Widget) char buffer[sizeof(Widget)];  // 步骤2：在 buffer 上构造 Widget  
Widget* pw = new (buffer) Widget(10);  // 步骤3：手动析构（必须！否则析构函数不会被调用）  
pw->~Widget();  // 步骤4：若 buffer 是动态分配，需释放（此处栈内存自动释放，故省略）

注意：使用 placement new 需包含头文件 <new>。

四、delete的对称逻辑：delete operator与operator delete

delete 操作符（delete operator）与 new 对称，也分两步：

析构对象：调用对象的析构函数；
释放内存：调用 operator delete 函数释放内存。

示例：

delete ps;

编译器隐式生成：

ps->~string(); // 析构对象  
operator delete(ps); // 释放内存

特殊情况：placement new构造的对象

若对象由 placement new 构造（内存非 operator new 分配，如栈内存、共享内存），不能直接用 delete，否则 operator delete 会错误释放内存。正确流程：

// 假设 pw 构造在共享内存上  
pw->~Widget(); // 手动析构  
freeShared(pw); // 释放共享内存（而非 operator delete）

五、数组的处理：new[]与delete[]

当用 new Type[size] 分配数组时，实际调用的是 数组版 new operator，流程为：

调用 operator new[] 分配内存（可重载）；
为数组每个元素调用默认构造函数（若 Type 有默认构造函数）。

对应的 delete[] 会：

为数组每个元素调用析构函数；
调用 operator delete[] 释放内存（可重载）。

关键注意：

配对使用：new[] 必须与 delete[] 配对，否则可能漏调析构函数（如用 delete 代替 delete[]，仅调用第一个元素的析构）；
旧编译器兼容：operator new[] 支持较晚，旧编译器可能 fallback 到全局 operator new，导致数组内存分配难以定制。

总结：概念地图

概念	角色	核心行为	可定制性
new operator	语言操作符	分配内存（调用 operator new） + 构造对象（placement new 隐式调用）	不可直接定制
operator new	内存分配函数	仅分配内存，返回 void*	可重载（全局/类）
placement new	operator new 的重载版本	在指定内存地址上构造对象（通过额外参数指定地址）	可自定义重载
delete operator	语言操作符	析构对象 + 释放内存（调用 operator delete）	不可直接定制
operator delete	内存释放函数	仅释放内存	可重载（全局/类）