C++ new

C++ 中 malloc 和 new 区别

概念

new是 C++中关键字, 用于分配内存并构造对象

T *p = new T();

graph LR;
    A(特点)
    A-->B(同时进行内存分配和对象构造)
    A-->C(若内存分配失败, 抛出 std::bad_alloc 异常)
    A-->D(可用于单个对象或数组创建)

函数

operator new

operator new是可重载函数, 负责从自由存储区(堆)中分配内存(类似于malloc函数), 不调用构造函数

void* operator new(std::size_t size) {
    // 调用全局::operator new 分配内存
    return ::operator new(size);
}

graph LR;
    A(operator new特点)
    A-->B(只负责内存分配, 不初始化对象)
    A-->C(可重载以自定义内存分配过程)
    A-->D(若分配失败也抛出 std::bad_alloc 异常, 除非使用 nothrow 版本)

重载perator new作用

(1) 内存池管理: 通过自定义 operator new, 可实现内存池来减少动态内存分配时开销

(2) 调试: 可在 operator new 中记录日志, 跟踪每次内存分配调用

(3) 性能优化: 对于特定类型对象, 可以通过自定义 operator new 来优化内存分配策略

(4) 异常处理: 可自定义 operator new 来处理分配失败时异常, 甚至返回 nullptr 而不是抛出异常

::operator new

全局 operator new, 用于分配内存

与operator new区别

(1) ::operator new 强制调用作用域为全局, 即标准库所提供默认版本

(2) operator new 作用域可能是全局, 也可是自定义重载版本

placement new

用于在指定内存地址上构造对象

new 操作符会在堆上分配内存并构造对象, 而 placement new 则允许指定一个已经分配好内存区域, 然后在区域上调用对象构造函数

// 指向已分配内存指针
void* memory = ....
// 在指定内存上构造对象
T* object = new (memory) T(args...);

流程

graph LR;
    X(开始)
    X-->A(分配内存)--> A1[/内存空间/]-->B
    B(初始化)-->B1[/生成对象/]-->C
    C(返回指针)-->D1[/指向对象指针/]-->Y
    Y(结束)

分配内存

new 调用 operator new 函数 默认从堆(自由存储区)中分配内存来存储对象

调用operator new

(1) operator new 内存分配失败时会抛出 std::bad_alloc 异常(而不像 malloc 返回 NULL)

(2) 自定义 operator new 函数会优先调用, 否则调用全局 ::operator new

void* operator new(std::size_t size) {
    // 分配 size 大小内存
    void* p = ::malloc(size);
    // 内存分配失败时抛出异常
    if (!p) {
        throw std::bad_alloc();
    }
    return p;
}

• 示例, 调用自定义operator new

#include <iostream>

class UseNew {
public:
    UseNew() = default;
    ~UseNew() = default;

    // 重载 operator new
    void* operator new(std::size_t size) {
        std::cout << "operator new called, size: " << size << std::endl;
        // 调用全局 operator new
        return ::operator new(size);
    }
    // 重载 operator delete
    void operator delete(void* p) {
        std::cout << "operator delete called" << std::endl;
        // 调用全局 operator delete
        ::operator delete(p);
    }
};

int main() {
    UseNew* use = new UseNew();
    delete use;
    return 0;
}

初始化

分配内存后 new 会在刚分配内存上调用对象构造函数初始化, 本质是通过定位 new机制, 确保构造函数在分配内存地址上正确执行

构造对象

(1) 使用placement new 构造函数会在已经分配内存位置上构造对象

(2) 对象构造函数会根据传入参数初始化对象成员变量和状态

// 在已分配好内存 ptr 上调用构造函数
T* obj = new(ptr) T();

处理异常

(1) 若内存分配失败::operator new 会抛出 std::bad_alloc 异常

(2) 若构造函数抛出异常:会释放已经分配内存, 并传播异常, C++ 通过 RAII异常处理机制, 确保不会泄漏资源

// 1. 分配内存
T* obj = static_cast<T*>(operator new(sizeof(T)));

try {
    // 2. 定位 new, 调用构造函数
    new (obj) T();
} catch (...) {
    // 3. 构造失败, 释放内存
    operator delete(obj);
    // 4. 重新抛出异常
    throw;
}

返回指针

若内存分配和对象构造均成功, new返回指向已初始化对象指针, 此时对象已完全初始化

对比

与系统函数

与malloc

申请位置不同

malloc

从堆上动态分配内存

new

操作符从自由存储区(free store)上为对象动态分配内存空间

自由存储区是 C++ 基于 new的抽象概念, 可以是堆还可以是静态存储区, 取决于 operator new 在哪里为对象分配内存, 凡通过 new所申请内存即为自由存储区

返回类型安全性

new

操作符内存分配成功时, 返回对象类型指针, 类型严格与对象匹配, 无须进行类型转换, 故 new 是符合类型安全性操作符

malloc

内存分配成功则是返回 void 指针, 需要通过强制类型转换将 void 指针转换成指定类型

内存分配失败时返回值

new, 内存分配失败时, 会抛出 bac_alloc 异常, 不会返回 NULL

malloc, 分配失败时返回 NULL

分配内存大小

new, 操作符申请内存分配时无须指定内存块大小, 编译器会根据类型信息自行计算

malloc, 则需要明确指出所需内存尺寸

是否调用构造/析构函数

new

new分配对象内存时会经历三个步骤,

(1) 调用 operator new 函数(对于数组是 operator new[])分配一块足够大原始, 未命名内存空间, 存储特定类型对象

(2) 编译器运行相应构造函数以构造对象,并为其传入初值

(3) 对象构造完成后,返回一个指向该对象指针

delete 操作符来释放对象内存时会经历两个步骤,

(1) 调用对象析构函数

(2) 编译器调用operator delete(或operator[] delete[])函数释放内存空间

malloc

不会调用构造函数, free也不会调用析构函数

对于数组处理

new

对数组会分别调用构造函数函数初始化每一个数组元素

C++ 提供new[] 与 delete[] 来专门处理数组类型分配

释放对象时为每个对象调用析构函数, delete[] 要与 new[] 配套使用,不然会找出数组对象部分释放现象, 造成内存泄漏

malloc

只提供开辟出内存地址, 若动态分配一个数组内存,还需要手动自定数组大小

是否支持内存扩充

new, 不支持内存扩充

malloc, 在分配内存后若内存不足, 可使用 realloc 进行内存重新分配, 实现扩充