C++：內存管理

淺談C++內存管理

new和delete

在C++中，我們習慣用new申請堆中的內存，配套地，使用delete釋放內存。

class LiF;
LiF* lif = new LiF(); // 分配內存給一個LiF對象
delete lif; // 釋放資源
lif = nullptr; // 指針置空，保證安全

與C的malloc相比，我們發現，new操作在申請內存的同時還完成了對象的構造，這也是new運算符做的一層封裝。

內存是怎樣申請的

從new這個例子可以看出，C++的內存管理大有門道，而內存管理也是C++中最為重要的一部分。在硬件層之上的第一層封裝就是操作系統，高級語言編寫的程序也將作為進程在這里接受進程調度，其中就涉及到內存的分配。從這個意義上理解，可以說，內存是向操作系統申請的（不嚴格正確）。

在C++應用層（Application），我們最常用的是C++ primitive（原語）操作，new、new[]、new()、::operator new()等，申請內存。在primitive之上，C++的Library還為我們提供了各種各樣的allocator（容器，或者說分配器），如std::allocator，可以通過這些容器分配內存，但其實容器還是通過new和delete運算符去實現內存的申請與釋放。在new之下，則是Microsoft的CRT庫提供的malloc和free，new操作是對malloc的封裝。再往下就是操作系統的API。這些內存管理的API的關系大致如下：

再談new和delete

new expression

通常，我們會使用new在堆中申請一塊內存，並把這塊內存的地址保存到一個指針，這個操作就是new操作，但嚴格來說，它其實應該稱為new expression（new表達式）。

LiF* lif = new LiF(); // new expression

但其實，new是一個復合操作，通常會被編譯器轉換為類似如下的形式：

LiF* lif;
try {
    void* mem = operator new(sizeof(LiF)); // apply for memory
    lif = static_cast<LiF*>(mem); // static type conversion
    lif->LiF::LiF(); // constructor
} catch(std::bad_alloc) {
    // exception handling
}

new做了什么

1. 調用operator new申請足夠存放對象大小的內存；
2. 把申請到的內存交給我們的指針；
3. 最后調用構造函數構造對象。

operator new

在try/catch塊的第一句，new expression調用了operator new，它的原型是：

// 位於<vcruntime_new.h>
_Ret_notnull_ _Post_writable_byte_size_(_Size)
_NODISCARD _VCRT_ALLOCATOR void* __CRTDECL operator new(
    size_t _Size
);

_Ret_maybenull_ _Success_(return != NULL) _Post_writable_byte_size_(_Size)
_NODISCARD _VCRT_ALLOCATOR void* __CRTDECL operator new(
    size_t _Size,
    std::nothrow_t const&
) noexcept;

而在operator new()會去調用::operator new()，最后，::operator new()的內部實際上是調用了malloc。operator new()的工作就是通過malloc不斷申請內存，直到申請成功。在operator new的第二個重載中可以看到，這是一個noexcept的函數，因為我們可以認為，內存的申請總是可以成功的，因為在operator new()內部，每當申請失敗時，他都會調用一次new handler，可以把new handler理解為一個內存管理策略，它會釋放掉一些不需要的內存，以便當前的malloc可以申請到內存。可以說，operator new的工作就是申請內存。

placement new

在new拆解得到的第三步，它調用了對象的構造函數，而且在表達上比較特殊：lif->LiF::LiF();。編譯器通過對象指針直接調用了對象的構造函數，但如果我們在程序中這樣寫，編譯一般是無法通過的，這不是源代碼的語法。在上面的語句中，我們已經完成了內存的分配工作，顯然這一步是在進行對象的構造，這個操作也被稱為placement new，即定點構造，在指定的內存塊中構造對象。

new expression是operator new和placement new的復合。

delete expression

在我們不再需要某一個對象時，通常使用delete析構該對象。delete操作嚴格來說，與new對應，它應該稱為delete expression（delete表達式）。

delete lif; // delete expression
lif = nullptr;

同樣，delete也是一個復合操作，通常會被編譯器轉換為類似如下的形式：

lif->~LiF(); // destructor
operator delete(lif); // free the memory

delete做了什么

1. 調用對象的析構函數；
2. 釋放內存。

operator delete

在delete操作的第二步，實際上是執行了operator delete()，它的原型是：

void __CRTDECL operator delete(
    void*  _Block,
    size_t _Size
) noexcept;

而operator delete其實是調用了全局的::operator delete()，::operator delete()又調用了free進行內存的釋放。

也就是說，new和delete是對malloc和free的一層封裝，這也對應了上面圖中的內容。

array new和array delete

array new即new[]，顧名思義，它用於構造一個對象數組。

class LiF {
public:
	LiF(int _lif = 0): lif(_lif) {}
	int lif;
};

LiF* lifs = new LiF[3]; // right
LiF* lifs = new LiF[3](); // right
LiF* lifs = new LiF[3](1); // wrong, no param accepted
LiF* lifs = new LiF[3]{1}; // right, but only lifs[0].lif equals 1

array new的工作是申請一塊足以容納指定個數的對象的內存（在本例中是3個LiF對象）。在前兩種寫法中，array new調用的是默認構造函數，這種情況下只能默認構造對象，但如果又想要給對象賦予非默認的初值，那么就需要使用到placement new了。

LiF* lifs = new LiF[3];
LiF* p = lifs;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
	new(p++)LiF(i+1); // placement new
	cout << lifs[i].lif << endl;
}

直觀地，placement new並不會分配內存，它只是在已分配的內存上構造對象。對應地，使用array new構造的對象需要使用array delete釋放內存。

delete[] lifs;

相較於array new，array delete不需要提供數組長度參數。這是因為，在使用array new構造對象的時候，還有一塊額外的空間用於存放cookie，也就是這塊內存的一些信息，其中就包括這個內存塊的大小和對象的數量等等。

class LiF {
public:
    //...
    ~LiF() { cout << "des" << endl; }
};

delete[] lifs; // array delete

此時我們顯式地定義析構函數，並且在析構函數被調用時打印信息。在運行到delete[]的時候，程序就會根據cookie中的信息，准確地釋放對應的內存塊，本例中，“des”會被打印三次，即3個對象的析構函數都被調用了。此時如果錯誤地調用delete而非array delete，那么就可能會發生內存泄漏。

delete lifs; // delete

這時只會調用一次析構函數，但本例中並不會發生泄漏，這個簡單的類中並沒有包含其他對象。再看下面這種情況：

class LiF2 {
public:
	LiF2() : lif(new LiF()) {}
	LiF2(const LiF& _lif) : lif(new LiF(_lif.lif)) {}
	~LiF2() { delete lif; lif = nullptr; }
private:
	LiF* lif;
};

LiF2* lif2 = new LiF2[3];
delete lif2; // call "delete" by mistake

這時，由於錯誤地使用了delete，析構函數只會被調用一次，也就是說，還有另外兩個對象，雖然對象本身被銷毀了，但對象中的lif指針所指的對象卻沒有被銷毀，即：對象本身不會發生泄漏，泄漏的是對象中指針保存的內存。

深入placement new

之前提到的new()操作以及new expression拆解的第三步，其實都是placement new。在主動使用placement new時，它的一般格式為：

new(pointer)Constructor(params);
// or
::operator new(size_t, void*);

它的作用是：把對象（object）構造在已分配的內存（allocated memory）中。同樣也可以在vcruntime_new.h中找到相關定義：

#ifndef __PLACEMENT_NEW_INLINE
    #define __PLACEMENT_NEW_INLINE
    _Ret_notnull_ _Post_writable_byte_size_(_Size) _Post_satisfies_(return == _Where)
    _NODISCARD inline void* __CRTDECL operator new(size_t _Size, _Writable_bytes_(_Size) void* _Where) noexcept
    {
        (void)_Size;
        return _Where;
    }

    inline void __CRTDECL operator delete(void*, void*) noexcept
    {
        return;
    }
#endif

可以看到，placement new並沒有做任何工作，它只是把我們傳遞的指針又return了回來。結合下面的例子就不難理解這個邏輯。

class LiF {
public:
	LiF(int _lif = 0): lif(_lif) {}
	int lif;
};

LiF* lifs = new LiF[3]; // array new
LiF* lif = new(lifs)LiF(); // placement new

我們在array new得到的LiF對象數組中的第一個對象上使用了placement new，同樣拆解這個new操作可以得到類似上面普通new的一個try/catch塊：

LiF* lif;
try {
    void* mem = operator new(sizeof(LiF), lifs); // placement new
    lif = static_cast<LiF*>(mem); // static type conversion
    lif->LiF::LiF(); // constructor
} catch(std::bad_alloc) {
    // exception handling
}

此外，在__PLACEMENT_NEW_INLINE宏還包含了一個placement delete的定義：

inline void __CRTDECL operator delete(void*, void*) noexcept
{
	return;
}

可以看到，它也是不做任何工作的，所謂的placement delete只是為了形式上的統一。

總結

• 內存的申請釋放可以在不同層面上進行，但只要是在操作系統之上，都是基於malloc/free。
• 在C++ primitive層，通常使用new和delete系列，new是對malloc的封裝，delete是對free的封裝。
• 通常new是指new expression。嚴格來說，new的含義有三種：new expression、operator new和placement new。new expression是operator new和placement new的復合，operator new負責內存的申請，placement new負責對象的構造；此外還有new[]。
• 所有的內存申請/釋放操作都必須配套使用。