文章目录
理解 C++ new 的原理
在 C++ 中，new 操作符用于在堆上动态分配内存，它是开发者管理内存的核心工具之一。相比于 C 语言中的 malloc，new 不仅仅负责分配内存，还会调用对象的构造函数，确保对象的正确初始化。本文将深入探讨 new 的工作原理，并解释它在内存管理中的重要角色。
1. new 的基本工作流程
当我们在 C++ 中使用 new 时，通常会执行以下几步操作：
int* p = new int(5);
这一行代码的背后，new 的执行流程如下：
- 内存分配：
new首先会调用低级别的内存分配函数，类似于malloc，从堆中为对象分配足够的内存。 - 调用构造函数：分配内存后，
new会调用对象的构造函数，将对象初始化。在上述例子中，new为int分配内存并将其值设为 5。 - 返回指针：最终，
new返回指向该内存区域的指针，使程序能够使用这块内存。
2. new 和 malloc 的区别
尽管 new 和 malloc 都能分配内存，但它们在行为上存在以下几个关键区别：
-
调用构造函数：
new会自动调用对象的构造函数，而malloc仅仅分配内存，不会初始化对象。使用malloc分配的内存区域是未初始化的，需要手动调用构造函数来初始化。 -
类型安全：
new返回的是正确类型的指针，而malloc返回void*，因此在 C++ 中需要显式地进行类型转换。 -
失败处理：当内存分配失败时，
new会抛出std::bad_alloc异常，而malloc则会返回NULL。这使得new更加符合 C++ 的异常处理机制。
3. new 的底层实现
在大多数 C++ 实现中，new 的底层机制可以分为两个部分：分配器和构造器。C++ 标准库允许重载 new 操作符，因此开发者可以自定义内存分配的方式。
分配器（Allocator） 负责从堆中分配内存，典型的实现会调用低级的内存管理函数，比如 malloc 或者操作系统提供的分配函数。
void* operator new(size_t size) {
if (void* ptr = malloc(size)) {
return ptr;
} else {
throw std::bad_alloc();
}
}
构造器（Constructor） 是在内存分配完成后调用的，用来初始化对象。如果是基本类型（例如 int 或 char），则直接存储值；如果是用户自定义类型，则调用相应的构造函数。
void* memory = operator new(sizeof(MyClass)); // 分配内存
MyClass* obj = new(memory) MyClass(); // 调用构造函数
4. new[] 与 delete 的配对使用
C++ 中还有一个用于分配数组的操作符：new[]。它与单个对象的 new 类似，但会为多个对象分配连续的内存空间，并依次调用构造函数。
int* arr = new int[10]; // 分配 10 个整型的数组
使用 new[] 分配的内存，必须使用 delete[] 来释放，否则会造成内存泄漏。
delete[] arr;
相反，对于单个对象使用 new 分配的内存，应该使用 delete 来释放。
int* p = new int(5);
delete p;
如果错误地将 delete[] 用于 new 分配的内存，或者反之，将 delete 用于 new[] 分配的内存，可能导致未定义行为。
5. 自定义 new 和 delete
C++ 提供了重载 new 和 delete 的能力，允许开发者为特定的类自定义内存管理策略。通常用于优化内存分配效率或者进行调试。
void* operator new(size_t size) {
std::cout << "Custom new for size: " << size << std::endl;
return malloc(size);
}
void operator delete(void* ptr) noexcept {
std::cout << "Custom delete" << std::endl;
free(ptr);
}
重载 new 和 delete 可以帮助开发者监控内存使用情况，或者为特定的对象池（memory pool）提供优化的分配方式。
6. 定位new
C++ 中的 定位new 是一种特殊的 new 形式，它允许在已经分配的内存上构造对象，而不会重新分配内存。
char buffer[sizeof(MyClass)];
MyClass* obj = new(buffer) MyClass();
placement new 主要用于性能优化，比如在内存池中直接复用内存。它不会调用 operator new，因此也不负责分配内存。
7. 内存泄漏与异常安全
-
内存泄漏：如果使用
new分配的内存没有通过delete释放，则会导致内存泄漏。因此，建议在可能出现异常的情况下使用智能指针（如std::unique_ptr或std::shared_ptr），以确保内存能够自动释放。 -
异常安全：当
new分配内存后，如果构造函数抛出异常，那么 C++ 运行时会自动释放已经分配的内存，确保不会发生内存泄漏。
new 是 C++ 中内存管理的重要工具，负责内存分配和对象初始化。它与 malloc 相比，具有更高的类型安全性和异常处理机制。在理解了 new 的底层原理之后，开发者可以通过自定义 new 和 delete 来优化内存分配，并在需要时使用 placement new 进行高级内存管理。