C++：Memory Management
淺談C++記憶體管理
new和delete
在C++中，我們習慣用new申請堆中的記憶體，配套地，使用delete釋放記憶體。
class LiF;
LiF* lif = new LiF(); // 分配記憶體給一個LiF物件
delete lif; // 釋放資源
lif = nullptr; // 指標置空，保證安全與C的malloc相比，我們發現，new操作在申請記憶體的同時還完成了物件的構造，這也是new運算子做的一層封裝。
記憶體是怎樣申請的
從new這個例子可以看出，C++的記憶體管理大有門道，而記憶體管理也是C++中最為重要的一部分。在硬體層之上的第一層封裝就是作業系統，高階語言編寫的程式也將作為程序在這裡接受程序排程，其中就涉及到記憶體的分配。從這個意義上理解，可以說，記憶體是向作業系統申請的（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，申請記憶體。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記憶體，但其實容器還是通過new和delete運算子去實現記憶體的申請與釋放。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。再往下就是作業系統的API。這些記憶體管理的API的關係大致如下：
再談new和delete
new expression
通常，我們會使用new在堆中申請一塊記憶體，並把這塊記憶體的地址儲存到一個指標，這個操作就是new操作，但嚴格來說，它其實應該稱為new expression（new表示式）。
LiF* lif = new LiF(); // new expression但其實，new是一個複合操作，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做了什麼
- 呼叫
operator new申請足夠存放物件大小的記憶體； - 把申請到的記憶體交給我們的指標；
- 最後呼叫建構函式構造物件。
operator new
在try/catch塊的第一句，new expression呼叫了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()會去呼叫::operator new()，最後，::operator new()的內部實際上是呼叫了malloc。operator new()的工作就是通過malloc不斷申請記憶體，直到申請成功。在operator new的第二個過載中可以看到，這是一個noexcept的函式，因為我們可以認為，記憶體的申請總是可以成功的，因為在operator new()內部，每當申請失敗時，他都會呼叫一次new handler，可以把new handler理解為一個記憶體管理策略，它會釋放掉一些不需要的記憶體，以便當前的malloc可以申請到記憶體。可以說，operator new的工作就是申請記憶體。
placement new
在new拆解得到的第三步，它呼叫了物件的建構函式，而且在表達上比較特殊：lif->LiF::LiF();。編譯器通過物件指標直接呼叫了物件的建構函式，但如果我們在程式中這樣寫，編譯一般是無法通過的，這不是原始碼的語法。在上面的語句中，我們已經完成了記憶體的分配工作，顯然這一步是在進行物件的構造，這個操作也被稱為placement new，即定點構造，在指定的記憶體塊中構造物件。
new expression是operator new和placement new的複合。
delete expression
在我們不再需要某一個物件時，通常使用delete析構該物件。delete操作嚴格來說，與new對應，它應該稱為delete expression（delete表示式）。
delete lif; // delete expression
lif = nullptr;同樣，delete也是一個複合操作，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 memorydelete做了什麼
- 呼叫物件的解構函式；
- 釋放記憶體。
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其實是呼叫了全域性的::operator delete()，::operator delete()又呼叫了free進行記憶體的釋放。
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，它用於構造一個物件陣列。
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 1array new的工作是申請一塊足以容納指定個數的物件的記憶體（在本例中是3個LiF物件）。在前兩種寫法中，array new呼叫的是預設建構函式，這種情況下只能預設構造物件，但如果又想要給物件賦予非預設的初值，那麼就需要使用到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並不會分配記憶體，它只是在已分配的記憶體上構造物件。對應地，使用array new構造的物件需要使用array delete釋放記憶體。
delete[] lifs;相較於array new，array delete不需要提供陣列長度引數。這是因為，在使用array new構造物件的時候，還有一塊額外的空間用於存放cookie，也就是這塊記憶體的一些資訊，其中就包括這個記憶體塊的大小和物件的數量等等。
class LiF {
public:
//...
~LiF() { cout << "des" << endl; }
};
delete[] lifs; // array delete此時我們顯式地定義解構函式，並且在解構函式被呼叫時列印資訊。在執行到delete[]的時候，程式就會根據cookie中的資訊，準確地釋放對應的記憶體塊，本例中，“des”會被列印三次，即3個物件的解構函式都被呼叫了。此時如果錯誤地呼叫delete而非array delete，那麼就可能會發生記憶體洩漏。
delete lifs; // delete這時只會呼叫一次解構函式，但本例中並不會發生洩漏，這個簡單的類中並沒有包含其他物件。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，解構函式只會被呼叫一次，也就是說，還有另外兩個物件，雖然物件本身被銷燬了，但物件中的lif指標所指的物件卻沒有被銷燬，即：物件本身不會發生洩漏，洩漏的是物件中指標儲存的記憶體。
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：把物件（object）構造在已分配的記憶體（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標又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物件陣列中的第一個物件上使用了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巨集還包含了一個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
- 記憶體的申請釋放可以在不同層面上進行，但只要是在作業系統之上，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的複合，operator new負責記憶體的申請，placement new負責物件的構造；此外還有new[]。
- 所有的記憶體申請/釋放操作都必須配套使用。