请解释C++中的new和delete操作符是如何工作的？

八股文_C++内存管理面试题 0 196

参考回答

在 C++ 中，new 和 delete 是用于动态分配和释放内存的操作符。它们不同于传统的 C 语言中的 malloc 和 free，new 和 delete 不仅分配和释放内存，还会调用对象的构造函数和析构函数。它们通过操作符重载与内存管理结合起来，使得 C++ 中的内存管理更加安全和高效。

new 操作符：
- 功能：new 用于动态分配内存。对于基本数据类型，它返回一个指向分配内存的指针；对于类对象，它会分配足够的内存来存储对象，并调用类的构造函数进行初始化。
- 语法：
```
type* pointer = new type;  // 为一个对象分配内存并调用构造函数
type* pointer = new type(args);  // 为一个对象分配内存并调用带参数的构造函数
type* array = new type[size];  // 为一个数组分配内存
```
- 工作过程：
  - new 操作符首先请求操作系统分配指定大小的内存。
  - 如果分配成功，new 返回指向这块内存的指针。
  - 对于类对象，new 会调用对象的构造函数进行初始化。
  - 如果内存不足，new 会抛出 std::bad_alloc 异常，除非使用 new(std::nothrow)，此时会返回 nullptr。
delete 操作符：
- 功能：delete 用于释放通过 new 分配的内存。当对象的生命周期结束时，delete 会释放它占用的内存并调用析构函数清理资源。
- 语法：
```
delete pointer;  // 释放通过 new 分配的单个对象内存
delete[] array;  // 释放通过 new[] 分配的数组内存
```
- 工作过程：
  - delete 会先调用对象的析构函数来清理资源（如果是类对象）。
  - 然后，它会将对象占用的内存归还给操作系统。
  - delete[] 用于释放通过 new[] 分配的数组内存。

详细讲解与拓展

new 的工作原理：
- 当 new 被调用时，它实际上是通过操作符重载和堆内存分配相结合来分配内存的。对于基本类型的内存分配，new 会直接请求操作系统分配相应大小的内存块，并返回指向该内存的指针。
- 对于类类型对象，new 会执行以下操作：
  1. 为对象分配足够的内存空间。
  2. 调用对象的构造函数初始化对象。
```
class MyClass {
public:
   MyClass() {
       std::cout << "Constructor called!" << std::endl;
   }
};

MyClass* obj = new MyClass();  // 分配内存并调用构造函数
// 输出：Constructor called!
```

delete 的工作原理：

当 delete 被调用时，它会做两件事情：
1. 对象的析构函数会被调用，释放对象可能占用的资源（如文件句柄、网络连接等）。
2. 内存被归还给操作系统。

class MyClass {
public:
   ~MyClass() {
       std::cout << "Destructor called!" << std::endl;
   }
};

MyClass* obj = new MyClass();
delete obj;  // 调用析构函数并释放内存
// 输出：Destructor called!

动态数组的内存管理：
- new[] 和 delete[] 用于分配和释放动态数组。new[] 分配内存后，还会在每个数组元素上调用默认构造函数，delete[] 会调用每个元素的析构函数并释放数组的内存。
```
int* arr = new int[5];  // 动态分配数组
delete[] arr;  // 释放数组内存
```

内存分配失败的处理：

如果通过 new 分配内存时发生错误，系统会抛出 std::bad_alloc 异常，程序员可以使用 try-catch 来捕获和处理此异常。

try {
   int* ptr = new int[1000000000];  // 请求大量内存
} catch (const std::bad_alloc& e) {
   std::cerr << "Memory allocation failed: " << e.what() << std::endl;
}

内存泄漏：
- 内存泄漏是指动态分配的内存没有被释放，导致程序在运行时不断消耗内存资源。避免内存泄漏的一种方法是使用智能指针（如 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr），它们会自动管理内存，释放内存。
```
std::unique_ptr<MyClass> obj = std::make_unique<MyClass>();  // 自动释放内存
```

总结

new：用于动态分配内存并调用对象的构造函数。它分配内存并返回指向该内存的指针。
delete：用于释放通过 new 分配的内存，并调用对象的析构函数清理资源。
new 和 delete 配对使用，可以避免内存泄漏，确保内存管理的安全性。
在使用 new 时，若内存不足，new 会抛出 std::bad_alloc 异常，而 delete 需要与 new 配对使用，避免滥用或重复释放内存。

通过正确使用 new 和 delete，可以确保 C++ 中的内存管理安全、高效，并避免常见的内存泄漏等问题。

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