在 C++ 中，你也許經常使用 new 和 delete 來動態申請和釋放內存，但你可曾想過以下問題呢？
- new 和 delete 是函數嗎？
- new [] 和 delete [] 又是什么？什么時候用它們？
- 你知道 operator new 和 operator delete 嗎？
- 為什么 new [] 出來的數組有時可以用 delete 釋放有時又不行？
- …
如果你對這些問題都有疑問的話，不妨看看我這篇文章。
new 和 delete 到底是什么？
如果找工作的同學看一些面試的書，我相信都會遇到這樣的題：sizeof 不是函數，然后舉出一堆的理由來證明 sizeof 不是函數。在這里，和 sizeof 類似，new 和 delete 也不是函數，它們都是 C++ 定義的關鍵字，通過特定的語法可以組成表達式。和 sizeof 不同的是，sizeof 在編譯時候就可以確定其返回值，new 和 delete 背后的機制則比較復雜。
繼續往下之前，請你想想你認為 new 應該要做些什么？也許你第一反應是，new 不就和 C 語言中的 malloc 函數一樣嘛，就用來動態申請空間的。你答對了一半，看看下面語句：
string *ps = new string("hello world");
你就可以看出 new 和 malloc 還是有點不同的，malloc 申請完空間之后不會對內存進行必要的初始化，而 new 可以。所以 new expression 背后要做的事情不是你想象的那么簡單。在我用實例來解釋 new 背后的機制之前，你需要知道 operator new 和 operator delete 是什么玩意。
operator new 和 operator delete
這兩個其實是 C++ 語言標准庫的庫函數，原型分別如下：
void *operator new(size_t); //allocate an object
void *operator delete(void *); //free an object
void *operator new[](size_t); //allocate an array
void *operator delete[](void *); //free an array
后面兩個你可以先不看，后面再介紹。前面兩個均是 C++ 標准庫函數，你可能會覺得這是函數嗎？請不要懷疑，這就是函數！C++ Primer 一書上說這不是重載 new 和 delete 表達式（如 operator= 就是重載 = 操作符），因為 new 和 delete 是不允許重載的。但我還沒搞清楚為什么要用 operator new 和 operator delete 來命名，比較費解。我們只要知道它們的意思就可以了，這兩個函數和 C 語言中的 malloc 和 free 函數有點像了，都是用來申請和釋放內存的，並且 operator new 申請內存之后不對內存進行初始化，直接返回申請內存的指針。
我們可以直接在我們的程序中使用這幾個函數。
new 和 delete 背后機制
知道上面兩個函數之后，我們用一個實例來解釋 new 和 delete 背后的機制：
我們不用簡單的 C++ 內置類型來舉例，使用復雜一點的類類型，定義一個類 A：
class A
{
public:
A(int v) : var(v)
{
fopen_s(&file, "test", "r");
}
~A()
{
fclose(file);
}
private:
int var;
FILE *file;
};
很簡單，類 A 中有兩個私有成員，有一個構造函數和一個析構函數，構造函數中初始化私有變量 var 以及打開一個文件，析構函數關閉打開的文件。
我們使用
class A *pA = new A(10);
來創建一個類的對象，返回其指針 pA。如下圖所示 new 背后完成的工作：
簡單總結一下：
- 首先需要調用上面提到的 operator new 標准庫函數，傳入的參數為 class A 的大小，這里為 8 個字節，至於為什么是 8 個字節，你可以看看《深入 C++ 對象模型》一書，這里不做多解釋。這樣函數返回的是分配內存的起始地址，這里假設是 0x007da290。
- 上面分配的內存是未初始化的，也是未類型化的，第二步就在這一塊原始的內存上對類對象進行初始化，調用的是相應的構造函數，這里是調用
A:A(10);這個函數，從圖中也可以看到對這塊申請的內存進行了初始化，var=10, file 指向打開的文件。 - 最后一步就是返回新分配並構造好的對象的指針，這里 pA 就指向 0x007da290 這塊內存，pA 的類型為類 A 對象的指針。
所有這三步，你都可以通過反匯編找到相應的匯編代碼，在這里我就不列出了。
好了，那么 delete 都干了什么呢？還是接着上面的例子，如果這時想釋放掉申請的類的對象怎么辦？當然我們可以使用下面的語句來完成：
delete pA;
delete 所做的事情如下圖所示：
delete 就做了兩件事情：
- 調用 pA 指向對象的析構函數，對打開的文件進行關閉。
- 通過上面提到的標准庫函數 operator delete 來釋放該對象的內存，傳入函數的參數為 pA 的值，也就是 0x007d290。
好了，解釋完了 new 和 delete 背后所做的事情了，是不是覺得也很簡單？不就多了一個構造函數和析構函數的調用嘛。
如何申請和釋放一個數組？
我們經常要用到動態分配一個數組，也許是這樣的：
string *psa = new string[10]; //array of 10 empty strings
int *pia = new int[10]; //array of 10 uninitialized ints
上面在申請一個數組時都用到了 new [] 這個表達式來完成，按照我們上面講到的 new 和 delete 知識，第一個數組是 string 類型，分配了保存對象的內存空間之后，將調用 string 類型的默認構造函數依次初始化數組中每個元素；第二個是申請具有內置類型的數組，分配了存儲 10 個 int 對象的內存空間，但並沒有初始化。
如果我們想釋放空間了，可以用下面兩條語句：
delete [] psa;
delete [] pia;
都用到 delete [] 表達式，注意這地方的 [] 一般情況下不能漏掉！我們也可以想象這兩個語句分別干了什么：第一個對 10 個 string 對象分別調用析構函數，然后再釋放掉為對象分配的所有內存空間；第二個因為是內置類型不存在析構函數，直接釋放為 10 個 int 型分配的所有內存空間。
這里對於第一種情況就有一個問題了：我們如何知道 psa 指向對象的數組的大小？怎么知道調用幾次析構函數？
這個問題直接導致我們需要在 new [] 一個對象數組時，需要保存數組的維度，C++ 的做法是在分配數組空間時多分配了 4 個字節的大小，專門保存數組的大小，在 delete [] 時就可以取出這個保存的數，就知道了需要調用析構函數多少次了。
還是用圖來說明比較清楚，我們定義了一個類 A，但不具體描述類的內容，這個類中有顯示的構造函數、析構函數等。那么 當我們調用
class A *pAa = new A[3];
時需要做的事情如下：
從這個圖中我們可以看到申請時在數組對象的上面還多分配了 4 個字節用來保存數組的大小，但是最終返回的是對象數組的指針，而不是所有分配空間的起始地址。
這樣的話，釋放就很簡單了：
delete []pAa;
這里要注意的兩點是：
- 調用析構函數的次數是從數組對象指針前面的 4 個字節中取出；
- 傳入
operator delete[]函數的參數不是數組對象的指針 pAa，而是 pAa 的值減 4。
為什么 new/delete 、new []/delete[] 要配對使用？
其實說了這么多，還沒到我寫這篇文章的最原始意圖。從上面解釋的你應該懂了 new/delete、new[]/delete[] 的工作原理了，因為它們之間有差別，所以需要配對使用。但偏偏問題不是這么簡單，這也是我遇到的問題，如下這段代碼：
int *pia = new int[10];
delete []pia;
這肯定是沒問題的，但如果把 delete []pia; 換成 delete pia; 的話，會出問題嗎？
這就涉及到上面一節沒提到的問題了。上面我提到了在 new [] 時多分配 4 個字節的緣由，因為析構時需要知道數組的大小，但如果不調用析構函數呢（如內置類型，這里的 int 數組）？我們在 new [] 時就沒必要多分配那 4 個字節， delete [] 時直接到第二步釋放為 int 數組分配的空間。如果這里使用 delete pia;那么將會調用 operator delete 函數，傳入的參數是分配給數組的起始地址，所做的事情就是釋放掉這塊內存空間。不存在問題的。
這里說的使用 new [] 用 delete 來釋放對象的提前是：對象的類型是內置類型或者是無自定義的析構函數的類類型！
我們看看如果是帶有自定義析構函數的類類型，用 new [] 來創建類對象數組，而用 delete 來釋放會發生什么？用上面的例子來說明：
class A *pAa = new class A[3];
delete pAa;
那么 delete pAa; 做了兩件事：
- 調用一次 pAa 指向的對象的析構函數；
- 調用
operator delete(pAa);釋放內存。
顯然，這里只對數組的第一個類對象調用了析構函數，后面的兩個對象均沒調用析構函數，如果類對象中申請了大量的內存需要在析構函數中釋放，而你卻在銷毀數組對象時少調用了析構函數，這會造成內存泄漏。
上面的問題你如果說沒關系的話，那么第二點就是致命的了！直接釋放 pAa 指向的內存空間，這個總是會造成嚴重的段錯誤，程序必然會奔潰！因為分配的空間的起始地址是 pAa 指向的地方減去 4 個字節的地方。你應該傳入參數設為那個地址！
同理，你可以分析如果使用 new 來分配，用 delete [] 來釋放會出現什么問題？是不是總會導致程序錯誤？
總的來說，記住一點即可：new/delete、new[]/delete[] 要配套使用總是沒錯的！
參考資料：
C++ Primer 第四版