“new出对象“原理的深层解密

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🍉本篇简介:>:讲解C++中的有关内存管理知识,如何new出对象?
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前言

讲解C++中有关new的知识,与malloc进行对比,以及深入探索new的实现原理.

一、malloc和new的使用

在C语言阶段，我们习惯使用malloc向内存申请空间，但是在C++阶段，我们习惯用new在动态内存中创建对象，为什么呢？

1.1 new创建内置类型(int等)

在创建内置类型时,new只是不需要进行强转和计算内置类型的大小,看起来更加简洁,方便.

	//malloc申请内置类型int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));free(p1);//new对比int* ptr1 = new int;delete ptr1;

1.2 new创建数组

new + 对象的类型 + [个数] + (初始化的值)

new + 对象的类型 + [个数] + {num1,num2,…}

需要注意的是,连续的多个空间须使用new[]与delete[]搭配

	//申请数组int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//赋值for (int i = 0; i < 10; i++){p3[i] = i;}//打印for (int i = 0; i < 10; i++){cout << p3[i] << " ";}cout << endl;// new创建数组int* ptr3 = new int[10]{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};for (int i = 0; i < 10; i++){cout << ptr3[i] << " ";}//释放free(p3);delete[] ptr3;

1.3 创建对象

如何使用new进行创建对象?

#include <iostream>
using namespace std;
#include<stdlib.h>class Date
{
public:Date():_year(2020),_month(6),_day(6){cout << "A()" << endl;}void print(){cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;}~Date(){cout << "~A()" << endl;free(_a);}
private:int _year;int _month;int _day;int* _a=nullptr;
};int main()
{//malloc出对象Date* d1 = (Date*)malloc(sizeof(Date));d1->print();free(d1);//new出对象Date* d2 = new Date;d2->print();delete d2;return 0;
}

运行结果：

-842150451–842150451–842150451
A()
2020-6-6
~A()

通过上段代码我们发现,malloc只是进行开空间的操作,对象并没有得到初始化操作.
new则是在开空间的同时,会调用对象的构造函数,将对象进行初始化.

free只是进行简单的释放申请的空间,如果对象中存在动态申请的成员,则无法进行释放.
delete会在释放申请的对象空间的同时,调用对象的析构函数,彻底的完成空间的清理工作.

1.4 异常处理

对于malloc函数,当malloc申请内存空间失败的时候,会返回一个NULL指针.
我们通常通过判断返回值是否为NULL来判断是否申请成功.

	int* a = (int*)malloc(10000* sizeof(int));if (a == NULL){perror("malloc a fail");//申请失败时,打印错误信息return 0;}

new失败不会返回NULL,而是通过抛出异常.
在C++中，可以使用try-catch语句来捕获new操作符抛出的异常。new操作符在内存分配过程中如果失败，会抛出一个bad_alloc异常。

示例代码：

try {int* myArray = new int[10000]; // 分配一个包含10000个整数的数组// ...delete[] myArray; 
}
catch (const std::bad_alloc& e) {// 处理内存分配失败的异常std::cout << "内存分配失败: " << e.what() << std::endl;
}

在上述代码中，new操作符用于分配一个包含10000个整数的数组。如果内存分配失败，将抛出一个bad_alloc异常。catch语句块接收这个异常，并执行相应的处理代码。在这个示例中，异常被捕获后会打印一条错误消息。

需要注意的是，catch语句块中的参数类型应为const std::bad_alloc&，因为bad_alloc是标准异常类，它派生自std::exception，通常以常量引用的形式传递给异常处理代码。

二、malloc和new的区别:(面试热门)

在C++中，malloc和new都用于在堆上分配内存，但有一些重要的区别。

1. 语法和类型安全性：malloc和free是函数，new和delete是操作符
   (1)malloc是C语言中的函数,malloc需要指定要分配的内存大小，并返回一个指向未初始化内存块的指针。
   (2)new是C++中的运算符。new可以直接在创建对象时进行初始化，并返回一个指向已经构造的对象的指针。new操作符会执行类型检查，确保分配的内存与对象类型匹配。

2. 构造函数和析构函数调用：
   (1)使用new分配内存时，会自动调用对象的构造函数进行初始化。
   (2)使用malloc分配内存时，不会调用对象的构造函数，需要手动调用构造函数初始化对象。
   (3)同样,使用delete释放new分配的内存时，会自动调用析构函数进行清理工作。而使用free释放malloc分配的内存时，不会自动调用析构函数，需要手动执行清理操作。

3. 内存大小计算：
   (1)使用malloc分配内存时，需要显式指定要分配的内存块的大小，以字节为单位。
   (2)使用new分配单个对象时，编译器会自动计算所需的内存大小，以对象的类型为基础。对于数组对象，需要使用new[]和delete[]，同样会自动计算所需的内存。

4. 异常处理：new在分配内存失败时，会抛出std::bad_alloc异常，而malloc在分配内存失败时，返回NULL指针。

5. malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型

总的来说，new相对于malloc提供了更高级的、更安全的内存分配方式，能够自动调用构造函数和析构函数，执行类型检查，并提供异常处理。因此，在C++中，推荐使用new和delete来进行动态内存分配和释放。如果你需要使用C语言的库或与C代码进行交互，可以使用malloc和free。

三、new和delete的深层解密

3.1 解密实现原理

学到这里,我们知道new会代用构造函数,还会抛出异常,那它究竟是怎么实现的呢?

operator new的实现

void *__CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
void *p;
while ((p = malloc(size)) == 0)//通过mallo开空间if (_callnewh(size) == 0){// report no memory// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常static const std::bad_alloc nomem;_RAISE(nomem);}
return (p);
}

看不懂没关系,只需要知道operator delete调用了free函数即可

void operator delete(void *pUserData)
{_CrtMemBlockHeader * pHead;RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));if (pUserData == NULL)return;_mlock(_HEAP_LOCK);  /* block other threads */__TRY/* get a pointer to memory block header */pHead = pHdr(pUserData);/* verify block type */_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));_free_dbg( pUserData, pHead->nBlockUse );//调用了free函数__FINALLY_munlock(_HEAP_LOCK);  /* release other threads */__END_TRY_FINALLYreturn;
}

free的实现就是一个宏定义_free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

#define   free(p)               _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

我们可以直接调用operator new 和operator delete函数.

void test1()
{A* a1 = (A*)operator new (sizeof(A));A* a2 = (A*)malloc (sizeof(A));operator delete(a1);free(a2);
}
int main()
{test1();return 0;
}

发现operator new 的使用和malloc没什么区别,
只是一个抛异常.
一个返回NULL.

3.2 通过汇编指令验证

void test1()
{A* a1 = new A;delete a1;
}

通过调试窗口的反汇编窗口,我们查看A* a1 = new A;对应的汇编指令:

会发现,new操作符果然是调用operator new +构造函数.

查看delete操作符,由于vs编译器进行了再封装,我们需要进到下面这条指令里面去看:

不难发现,delete操作符=调用析构函数+调用operator delete函数

好的,本篇有关new操作符和delete操作符的相关知识就讲到这里了,希望对大家有所帮助.
如果觉得文章有帮助的话,可以来个一键三连吗?