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深入理解C语言的new[]和delete[]

作者:chls

new和delete既是C++中的关键字也是一种特殊的运算符。这篇文章主要介绍了C++的new和delete详解,需要的朋友可以参考下

c++的动态内存管理方式和c语言不一样,在c++中使用new和delete来替换c语言中的malloc和free。这里有几个点不一样,

1、new和delete是操作符,malloc和free是函数(我的理解是c++将new和delete约定为操作符而已,new和delete操作符重载函数本质上还是函数)

2、c++有了类的概念,类对象的初始化除了要分配内存,还需要对内存进行初始化!所以,c++必须引入一种新的内存分配方式,既可以像malloc一样开辟内存,还要能够调用类对象的构造函数(delete的引入同理)。

3、new[]和delete[]是c++完全新增的内存操作符,他们和new和delete也是有不一样的地方。

下面,咱们来一一讲解⬇

1、重载操作符

既然new和delete都是操作符,咱们可以对new和delete进行重载;当你再使用new和delete操作内存时,编译器就会调用到咱们自己重载的new/delete全局函数了。(如对操作符重载不了解的,请自行补充知识)

void* operator new(size_t size){
    if(size == 0) size = 1;
    void* ptr = malloc(size);
    if(ptr == nullptr){
        std::cout << "ERROR NEW!" << std::endl;
    }
    std::cout << "NEW Memory Size = " << size << " address = " << ptr << std::endl;
    return ptr;
}
void* operator new[](size_t size){
    if(size == 0) size = 1;
    void* ptr = malloc(size);
    if(ptr == nullptr){
        std::cout << "ERROR NEW[]!" << std::endl;
    }
    std::cout << "NEW[] Memory Size = " << size << " address = " << ptr << std::endl;
    return ptr;
}
void operator delete(void* ptr){
    std::cout << "DELETE " << ptr << std::endl;
    if(ptr) free(ptr);
}
void operator delete[](void* ptr){
    std::cout << "DELETE[] " << ptr << std::endl;
    if(ptr) free(ptr);
}

此时,再使用 int* p = new int {1}; 开辟内存,那么,c++编译器会自动链接到我们刚才的操作符重载函数 void* operator new(size_t size) ,至于编译器是怎么将 int* p = new int {1}; 解析成 void* operator new(size_t size) 函数的,咱们不关心,咱们只要知道编译器做了这样一层代码解析转换即可。并且,转换的过程中会将需要开辟的内存大小当作形式参数传递过去!

这里还有一点需要注意:函数的返回值是void*,而咱们new操作接收的返回值为int*,这里其实也是编译在底层做了一层转换!(非常重要,new 的返回值和 operator new 函数的返回并不完全相同,包括类型和地址)

2、new和delete的原理

在开始验证new和delete之前,咱们先使用以下代码:

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <memory>
using namespace std;
//此处添加前面一步重载new和delete的代码
class Master
{
public:
    Master()
    {
        printf("constructor ---- %p\n",this);
        c = rand()%10000;
    }
    ~Master()
    {
        printf("destructor ---- %p\n", this);
    }
public:
    int c;
};
int main()
{
    Master * p = new Master{};
    delete p;
    return 0;
}

推荐一个在线调试cpp的网站:Compiler Explorer (godbolt.org)

Master * p = new Master{}; 这一行的汇编信息如下:

这里有3个点要注意,

  • 内存大小在编译时确定
  • 会先调用operator new(unsigned long)函数
  • 最后会调用构造函数

那么,delete操作的汇编信息应该和new刚好相反,这个可以自行测试!

下面将咱们重载的operator方法添加进去,然后执行,output日志信息如下:

NEW Memory Size = 4 address = 0x2154eb0
constructor ---- 0x2154eb0
destructor ---- 0x2154eb0
DELETE 0x2154eb0

通过日志,咱们也能够得出这样的结论:

new: 先malloc内存,然后执行构造函数 delete:先执行析构函数,然后free内存

3、new[]和delete[]的原理

前面咱们说了new/delete与new[]/delete[]有一些不同,那我们先看看日志信息,请添加以下测试代码:

int main()
{
    Master * p = new Master{};
    //测试new[]
    Master * pArray = new Master[5];    
    printf("pArray = %p\n", pArray);
    printf("pArray[0] = %p\n", &pArray[0]);
    printf("pArray[1] = %p\n", &pArray[1]);
    // delete[] pArray;
    // delete p;
    return 0;
}
///
output:---------------------------------------begin
NEW Memory Size = 4 address = 0x565422925eb0
constructor ---- 0x565422925eb0
NEW[] Memory Size = 28 address = 0x5654229262e0
constructor ---- 0x5654229262e8
constructor ---- 0x5654229262ec
constructor ---- 0x5654229262f0
constructor ---- 0x5654229262f4
constructor ---- 0x5654229262f8
pArray = 0x5654229262e8
pArray[0] = 0x5654229262e8
pArray[1] = 0x5654229262ec
output:----------------------------------------end
 

重点来了,malloc返回的内存地址(0x5654229262e0)和new[]返回的地址(0x5654229262e8)并不一致,而且申请的内存大小并不是Master类的大小 4*5=20,而是28!!

通过汇编代码,我们看到这里确实偏移了8个字节!其他的操作与new没有多大差别,都是先调用operator new[],然后再循环调用数组中的每个对象的构造函数!

通过output日志和汇编分析,可以得到我们前面讲到的结论:(非常重要,new 的返回值和 operator new 函数的返回并不完全相同,包括类型和地址)!

我们调用 delete[] pArray; 删除的地址为 0x5654229262e8,而真实触发 operator delete[] 的形参为 0x5654229262e0, 详细日志信息如下:

也就是operator new[] 和 operator delete[] 的操作的内存是真实地址,并且是正确的!为什么会这样?就是因为c++编译器在底层做了一次转换!

这个问题也很好理解,如果编译器没有这样一层逻辑转换,当你 delete[] 一个数组时,编译器要怎么操作呢?他怎么知道数组的长度然后遍历去调用析构函数呢?所以,这样一层逻辑转换有了存在的意义,这也体现在 new[] 数组时为什么大小并不是 = 对象大小*数组长度,而是多了8个字节!

好了嘛,那多出来的8字节是不是就是数组长度呢?咱们可以把这块内存信息输出!添加以下代码:

    unsigned long* pSize = (unsigned long*)pArray - 1;//偏移8字节
    printf("p = %p\n", pSize);
    printf("sizeof pArray = %d\n", *pSize);//输出该地址上的内存数据

日志输出:

偏移8字节之后就是咱们 operator new[] 函数分配的真实的内存地址,然后咱们输出该地址8字节空间的数据信息为5,这就是申请的数据空间的大小!

也就是有了这个多余的8字节(在32位系统上为4字节),new[] 存储数组长度到该内存, delete[] 时就能够从该内存读取数组长度,并遍历数组去调用析构函数啦!

总结

本篇文章就到这里了,希望能够给你带来帮助,也希望您能够多多关注脚本之家的更多内容!

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