C++中內存的動態分配與管理永遠是一個讓C++開發者頭痛的問題，本文通過對C++中內存的動態分配釋放的基本原理的介紹，讓讀者朋友能對C++中的內存的動態分配與釋放有較為深入的理解，從而更好駕馭C++程序。
1. 函數(Function)
(1) operator new function
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void * ::operator new(size_t); //Global
void * class-name::operator new(size_t); //Class |
上面是C++中operator new function的原型，一個是全局類型的，一個的類成員類型的。全局類型的operator new函數在下面兩種情況下被調用：一種是在分配C++內建（built-in）類型的動態內存時，一種是在分配用戶沒有自己定義operator new成員函數的用戶自定義類型的動態內存時。 如果用戶在自己定義的類型中，定義了operator new函數，那么用戶在用new申請該類型的動態內存時, 便會調用該類型的成員函數operator new, 而不是全局的operator new。
另外，我們注意到，上面的原型中函數的返回值為void *類型, 第一個參數為size_t類型，這個是C++編譯器要求的，如果要自己重載operator new函數，返回值必須為void* 類型，第一個參數必須為size_t類型，否則，編譯器會返回如下錯誤信息：
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error: ‘operator new’ takes type ‘size_t’ (‘unsigned int’) as first parameter |
這里需要注意的一點是，我們可以利用operator new function可以重載的特點，可以通過參數傳入一些額外的信息，來調試程序，檢測內存泄露等。比如，我們可以像下面這樣重載，傳入調用處的行號，函數名，這樣就可以跟蹤內存的分配使用情況：
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void * operator new(size_t unSize, int nLine, const char * pFunc)
{
prinft("Line: %d, Func: %s, allocate %u byte(s)\n", nLine, pFunc, unSize);
return malloc(unSize);
} |
(2) operator delete function
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void operator delete( void * );
void operator delete( void *, size_t ); |
上面是operator delete function的原型。operator delete function也有全局的和類成員的兩種。這里需要注意，一個類只能有一個operator delete function做為其成員函數，而且必須為上面兩種中的其中一種，沒有其它的形式。如果一個類實現了自己的operator delete function成員函數，那么在釋放該類型的內存時，編譯器便會調用成員operator delete function, 而不是全局的。
上面的兩種原型，第一種，在調用的時候，編譯器會把要釋放的內存的首地址傳入，第二種，在調用的時候，編譯器會把要釋放的內存的首地址和大小都傳入。因此，可以利用這一特性，如果我們在基類中實現第二種形式的operator delete function的成員函數，那么便可以用之來釋放子類類型的內存（具體參考最后面的例子）。
2. 運算符(Operator)
(1) new operator
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[::] new [placement] new-type-name [new-initializer]
[::] new [placement] ( type-name ) [new-initializer] |
注：上面的’[]‘表示在其中的部分是optional（可選的）
上面是new operator的原型。在C++中，動態內存的分配,通常都是調用new operator來完成的，利用new operator來分配動態內存，編譯器要做下面兩項工作：
- a. 調用operator new function分配內存（allocate the memory）
- b. 調用構造函數（call the constructor）來進行初始化
下面來說一說new operator的原型中各部分到底是干什么的：
placement: 如果你重載了operator new function, placement可以用來傳遞額外的參數
type-name: 指定要分配的內存的類型，可以是內建(built-in)類型，也可以是用戶自定義類型
new-initializer: 指定對分配后內存的初始化的參數，也就的構造函數的參數 。這里需要注意一點，在分配一個對象的數組類型的內存時，不能夠指定初始化參數；換言之，要想分配一個對象的數組類型的內存，該對象必須有缺省構造函數
(2) delete opeartor
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[::] delete cast-expression
[::] delete [ ] cast-expression |
上面是delete operator的原型，第一種用來釋放普通的對象(包括內建類型）類型的內存，第二種用來釋放對象的數組類型的內存。在C++中，用new operator分配的動態內存，必須調用delete operator來釋放，通常用delete operator釋放內存編譯器要做下面兩項工作：
- a. 調用對象析構函數來析構對象
- b. 調用operator delete function來釋放內存(deallocate the memory)
3. 關于new/delete使用過程中一些需要注意的點
(1)如何區別operator new/delete function 與 new/delete operator ?
通過上面的講述，不難看出，我們分配/釋放動態內存，調用的是new/delete operator, 而在調用new/delete的過程中，編譯器會自動調用operator new/delete function來完成實際的內存分配/釋放的工作
(2) 用delete operator去釋放一塊不是由new operator釋放的內存，結果是不可預料的，因此，切記，operator new與operator delete一定要配對使用，這是寫好程序的基礎
(3) new operator調用失敗會拋出std::bad_alloc異常，前提是你沒有自己重載對應的operator new function；delete operator失敗，常見的原因是多次delete同一塊內存
(4) 如果一塊內存被delete后，再對它解引用(Dereference)，結果也是不可預測的，很可能導致程序崩潰
(5) delete一個空(NULL)指針是安全的，沒有任何害處的
(6) 類成員類型的operator new/delete函數必須為靜態(static)函數，因此它們不能為虛函數(virtual function)，也遵守public, protected, private的訪問權限控制
4. 關于上面所講的內容的一些例子：
程序：
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#include <stdio .h>
#include <stdlib .h>
void * operator new(size_t unSize)
{
printf("operator new called\n");
return malloc(unSize);
}
void * operator new(size_t unSize, int nLine, const char * pFunc)
{
printf("operator new called, line: %d, func: %s\n",
nLine, pFunc);
return malloc(unSize);
}
void operator delete(void * pMem)
{
printf("delete1\n");
free(pMem);
}
class A
{
public:
A(int a = 0) :
_a(a)
{
printf("constructor called\n");
}
{
printf("~A()\n");
}
static void operator delete(void * pMem, size_t unSize)
{
printf("delete2: %u\n", unSize);
free(pMem);
}
private:
int _a;
};
class B: public A
{
public:
~B()
{
printf("~B()\n");
}
int _b;
int _bb;
};
int main()
{
A * pA = new A(10);
printf("#######\n");
A * pB = new (__LINE__, __func__) B();
printf("#######\n");
A * szA = new A[10];
printf("#######\n");
delete pA;
printf("#######\n");
delete pB;
printf("#######\n");
delete [] szA;
printf("#######\n");
char * pC = NULL;
delete pC;
}
</stdlib></stdio> |
運行結果：
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wuzesheng@wuzesheng-ubuntu:~/Program$ ./a.out
operator new called
constructor called
#######
operator new called, line: 68, func: main
constructor called
#######
operator new called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
#######
~A()
delete2: 8
#######
~B()
~A()
delete2: 16
#######
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
delete1
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delete1 |
上面的程序很簡單，我在這里不做過多的解釋，感興趣的朋友可以自己分析一下。
通過我上面的講解，相信大多數朋友應該對C++中內存的動態分配與釋放有了較為深入的理解。后續我還有可能寫一些關于C++中內存管理的文章，只有把本文所講的內容與后續的內存管理的一些常見的方法結合起來，我們才寫出更加健壯的C++程序。歡迎讀者朋友留言一起交流！