目錄

前言

1.為什么C++要引入new/delete？

2.operator new與operator delete函數

它們的實際作用

Placement New（定位new表達式）

總結

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前言

在寫上一篇博客“vector的模擬實現”時，我一直很好奇vector的private成員為什么要用三個封裝后的迭代器指針，來替代原本數據結構順序表中的成員變量，因為原本的數據結構成員是完全滿足需求的，即：

（從數據結構的本質來講，vector完全可以被理解為 C++ 版的、功能更強大的、高度自動化的順序表。）

在學習了實際庫中的vector代碼后，我發現了未見過的東西："::operator new與::operator delete"。在知道了它們的作用與使用場所后，或許我找到了用迭代器指針替代原本數據成員的原因。

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1.為什么C++要引入new/delete？

C語言內存管理方式在C++中是可以繼續使用，比如malloc、realloc等函數。但有些地方這些傳統的空間申請函數就顯得有些無能為力，而且使用起來比較麻煩。

是的，在C++的自定類型數據中，常需要在定義時順便調用構造函數初始化。而原C語言的空間申請函數是沒有這種功能，需要額外操作，于是C++提出了自己的內存管理方式：通過new和delete操作符進行動態內存管理。

簡而言之，什么C++要引入new/delete的原因在于：

new/delete 和 malloc/free最大區別是 new/delete對于【自定義類型】除了開空間時，還會調用構造函數和析構函數。

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2.operator new與operator delete函數

首先介紹它們是什么：

它們是C++中的內存分配原語函數。它們只負責分配和釋放原始內存，不涉及對象的構造和析構。

它們的用法：

#include <new> // 包含 operator new 和 operator delete 的聲明// 分配內存
void* memory = ::operator new(size_t bytes);// 釋放內存
::operator delete(void* ptr);

示例

#include <iostream>
#include <new>int main() 
{// 分配10個int大小的內存void* int_memory = ::operator new(10 * sizeof(int));std::cout << "內存分配成功，地址: " << int_memory << std::endl;// 使用內存...// 釋放內存::operator delete(int_memory );std::cout << "內存已釋放" << std::endl;return 0;
}

它們與new/delete的關系：

new和delete是用戶進行動態內存申請和釋放的操作符，operator new 和operator delete是系統提供的全局函數，new在底層調用operator new全局函數來申請空間，delete在底層通過 operator delete全局函數來釋放空間。

操作	做的事情
int* p = new int(42);	1. 調用?operator new(sizeof(int))?分配內存 2. 在內存上調用?int?的構造函數?構造對象（設為42）
delete p;	1. 調用?p?的析構函數?析構對象 2. 調用?operator delete(p)?釋放內存
void* mem = ::operator new(sizeof(int));	只分配內存，不調用構造函數
::operator delete(mem);	只釋放內存，不調用析構函數

簡單說：new/delete?=? （operator new/operator delete?+ 構造函數/析構函數調用）

注意：和new與delete，new[ ]與delete[ ]相同，operator new只能與operator delete匹配。

它們的實際作用

回到前言部分，為什么vector的private成員為什么要用三個封裝后的迭代器指針，來替代原本數據結構順序表中的成員變量呢？

在查看vecotr的實際實現代碼中，我發現 vector類中涉及空間增刪的函數，實際上都是調用的reserve函數，而在reserve函數中則使用了operator new/delete。

我們來看看reserve函數的模擬實現：

		void reserve(size_t n){size_t oldSize = size(), oldCapa = capacity();if (n > oldCapa){size_t newcapa = oldCapa == 0 ? 16 : oldCapa * 2;while (newcapa < n)newcapa *= 2;iterator newVec =(iterator)::operator new(newcapa * sizeof(T));if (_start){for (int i = 0; i < oldSize; ++i)new(newVec + i)T(_start[i]);for (int i = 0; i < oldSize; ++i)_start[i].~T();}::operator delete(_start);_start = newVec;_finish = _start + oldSize;_end = _start + newcapa;}else return;}

討論：在普通的reserve函數中，我們通常用new來申請空間，如下所示：

T* newcapa=new T[n];

可這帶來一個問題：new在申請空間的同時會調用構造函數，可是這些空間我們真的需要全部初始化嗎，換句話說這些空間我們真能全部用完嗎？顯然大部分場景是用不完的，因為vector的空間一般呈*2倍速度增長。那么這些不用的空間通過調用構造函數初始化，這不僅造成了一定的性能浪費，還讓后續無法自定義使用這片內存，造成內存資源浪費。

于是，通過用operator new/delete替換之前的new/delete，既解決了性能損失，又滿足了C++內存分配與對象構造分離的目的。

或許有讀者注意到上述代碼中的如下這段代碼，這段代碼實則揭開了為什么vector要使用三個指針作為成員變量的原因：

for (int i = 0; i < oldSize; ++i)new(newVec + i)T(_start[i]);

已知C++程序的一個核心設計思想：將內存分配（Allocation）和對象構造（Construction）分離。通過使用operator new/delete確實做到了只分配空間，不調用構造函數的目的。那么什么時候調用構造函數呢？

——在reserve函數中，通過提前記錄的oldSize精確控制調用構造函數的次數。而實際調用構造函數是通過Placement New（定位new表達式）實現的。

Placement New（定位new表達式）

它是什么？

Placement new 是一種特殊的 new 表達式，它在已分配的內存上構造對象。它不分配內存，只調用構造函數。

語法

new (address) Type(constructor_arguments);

address：一般傳入指針；

Type：某數據類型，可以是內置類型，也可以是自定義類型；constructor_arguments，該類型的構造函數。

使用示例

#include <iostream>
#include <new>class MyClass {
public:int value;MyClass(int v) : value(v) {std::cout << "構造函數被調用，value = " << value << std::endl;}~MyClass() {std::cout << "析構函數被調用，value = " << value << std::endl;}
};int main() {// 1. 只分配內存，不構造對象void* memory = ::operator new(sizeof(MyClass));// 2. 在已分配的內存上構造對象MyClass* obj = new (memory) MyClass(42);std::cout << "對象值: " << obj->value << std::endl;// 3. 顯式調用析構函數obj->~MyClass();// 4. 釋放內存::operator delete(memory);return 0;
}

operator new?設計時就考慮了與 placement new 的配合使用。這種組合提供了對對象構造和內存分配的完全控制。

現在回到上述有關reserve函數的討論。

現在已知vector中有關的空間操作，全是由reserve函數完成的，其中reserve函數通過使用operator new/delete、定位new表達式完成了“內存分配和對象構造的分離”。

結合定位new表達式的使用語法，有關“vector的private成員為什么要用三個封裝后的迭代器指針，來替代原本數據結構順序表中的成員變量”的答案也就呼之欲出了，或許原因之一就是為了滿足位new表達式的使用語法從而達到“內存分配和對象構造的分離”的目的。

同樣是申請空間，為什么不使用原C語言malloc等函數，而設計出operator new函數呢？

可能的原因或許有很多，但作者認為或許與它們在面對異常時的反應不同：

operator new?的異常行為

• 當?operator new?無法分配內存時，它會拋出?std::bad_alloc?異常，提醒程序員。

• 這與 C++ 的異常處理機制完美集成。

malloc?的錯誤處理

• 當?malloc?無法分配內存時，它返回?NULL（或 C++11 中的?nullptr），需要程序員自己檢查。

• 這要求你檢查返回值，使用 C 風格的錯誤處理。

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總結

本文從對“vector的private成員為什么要用三個封裝后的迭代器指針，來替代原本數據結構順序表中的成員變量”疑問中，引出operator new/delete的介紹，以及之后定位表達式new的使用語法。

本文或許對vector為什么要用三個指針，替換原本的使用一個指針加兩個size_t（data, size, capacity）的回答不盡完美，甚至漏洞百出，但好在因此學到了新東西。

感謝你的閱讀。