详析new/delete内存分配与释放的内部工作流程

提供一个精简版的复数类和一个精简版的字符串类用来演示。
示例类中函数均取自C++标准库。

复数类：

#include 
#include 
#include 

字符串类：

#include 
#include 
using namespace std;

class String
{
public:                                 
   String(const char* cstr=0);                     
   String(const String& str);                    
   String& operator=(const String& str);         
   ~String();                                    
   char* get_c_str() const { return m_data; }
private:
   char* m_data;
};

//inline只是对编译器的一个建议，希望编译器可以将这个函数设置为内联函数，实际上会不会设置取决于编译器。
inline String::String(const char* cstr)
{
   if (cstr) {
      m_data = new char[strlen(cstr)+1];
      strcpy(m_data, cstr);
   }
   else {   
      m_data = new char[1];
      *m_data = '';
   }
}
inline String::~String()
{
   delete[] m_data;
}
inline String& String::operator=(const String& str)
{
   if (this == &str)
      return *this;

   delete[] m_data;
   m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
   strcpy(m_data, str.m_data);
   return *this;
}
inline String::String(const String& str)
{
   m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
   strcpy(m_data, str.m_data);
}
ostream& operator<<(ostream& os, const String& str)
{
   os << str.get_c_str();
   return os;
}

定义一个对象时，一般会将内存分配在栈区、堆区，用来控制对象存在的生命周期。
还可以使用static关键字或者将对象定义为全局变量来控制生命周期。

• static关键字：变量生命周期在作用域结束之后仍然存在，直到整个程序结束。
• 全局对象：变量声明周期在整个程序结束之后才结束，作用域是整个程序。其生命周期比main()更早。

下面这块代码就会造成内存泄漏。指针变量p离开作用域后，指针p的生命结束，作用域外再也看不到p，也没有机会delete p，此时其所指向的堆区空间无法使用delete进行释放，这块内存将会泄漏。

{
	Complex* p = new Complex;
}

正确实例：

{
	Complex* p = new Complex;
	...
	delete p;
}

使用new关键字时，会先分配内存，然后调用类的构造函数。

Complex* p = new Complex(1,2);

编译器会将上行代码转化为：

void *mem = operator new( sizeof(Complex) ); //分配内存
Complex* pc = static_cast(mem);//类型转换
pc->Complex::Complex(1,2);//调用Complex类的构造函数

operator new()是C++内部一个名字特殊的函数，其内部调用的就是malloc(n)函数，来分配内存的。

Complex::Complex(1,2)函数的参数列表中实际上隐藏着this指针，谁调用Complex::Complex()函数谁就是this指针，所以实际调用方式为Complex::Complex(pc,1,2);，此时pc就是this指针。

使用delete关键字时，会先释放内存，然后调用类的析构函数。

String* ps = new String("123");
...
delete ps;

编译器会将上面代码转化为：

String::~String(ps);//析构函数
operator delete(ps);//释放内存

operator delete()是C++内部一个名字特殊的函数，其内部调用的就是free(ps)函数，来释放内存的。

对于String类来说，其大小本身只是一个指针m_data大小，指向一个字符串。

使用Complex* p = new Complex(1,2);创建一个复数，会分配一个内存空间，大小为8个字节（两个double，按原来double为4个字节时分析）。

在调试模式下，并不是真正得到8个字节，得到的字节数如下图左侧所示，每一格为4个字节，灰色的上下两部分为Debug的头和尾，砖红色的为cookie，用来标记这块内存的分配范围一级是否已经分配出去。在VC下，每次编译器所分配的内存区块都会是16的倍数，所以new一个复数实际上分配的内存大小为：8+(32+4)+(4*2)+12=64个字节。

• 8为Complex大小；
• (32+4)为Debug头尾大小；
• (4*2)为cookie大小
• 12（图中pad部分)为补充16倍数添加的大小。

所以一个复数在Debug模式下实际上会分配64个字节大小的内存区块。

在release模式下，分配的内存区块如下图右侧所示。当然，对于分配的内存区块来说，一定是16倍数的，只是release模式下内存大小刚好已经是16的倍数了，所以不再需要pad部分。

为什么分配的内存区块一定要是16的倍数呢？
操作系统利于16进制的最后一个16进制位来标记这块内存是给出去了还是还回来了。16的倍数转换为16进制后，最后一个16进制位就一定是0，才可以用来作为标记。
cookie值为0x00000041，如果没有给出去值为0x00000040，给出后值为0x00000041。

同理，String* ps = new String("123");也是如此。

上面只是讨论了分配一个复数类或一个字符串类的内存模型，那么当分配多个的情况呢，如下所示。例如分配一个复数数组的内存空间。

我们都知道分配内存时，使用Complex* p = new Complex[3]来分配3个复数对象的内存空间，释放内存时需要使用delete[] p来释放这块内存，为什么需要加上[]呢。

除去Debug头尾、补充16倍数的pad块、cookie块，已经此时内存模型比上面多了4个字节，是来记录数组个数的。3个复数，这四个字节里就存放的是3。（VC编译器是这样做的，其他编译器不保证）。

所以在Debug模式下，实际分配的内存大小为(83)+(32+4)+(42)+4+8=80个字节。

• (8*3)为数据大小，1一个复数有两个double为8个字节，一个3个复数；
• (32+4)为Debug头尾大小；
• (4*2)为上下cookie大小；
• 4为存放数组个数的大小；
• 8为pad块大小。

在release模式下，实际分配内存大小除去Debug头尾后为(83)+(42)+4=36个字节。

通过上面的例子，已经知道了动态分配数组的内存模型。上面也谈到需要使用delete[] p来释放数组，那么假如忘记加[]会发生什么情况呢。此处使用String类来做演示，如图所示。

实际上没有添加[]造成了内存泄漏，但泄漏的并不是String类的内存空间，因为已经有cookie来标记了操作系统给出去的整个内存区块范围，所以仍然能够正常回收。但是因为少加了[]，会少调用两次析构函数，而析构函数中会去释放指针指向的字符串空间，所以此时实际上是指向的字符串空间没有被释放造成的内存泄漏，即图中?!标记的地方。

总结：

Complex类与String类的区别是一个类内部没有指针；另外一个类内部有指针，并且指针指向其他的内存空间。

所以，当使用Complex* p = new Complex[3]分配一个复数数组时，因为Complex类内并没有指针指向另外的内存，所以其实不使用delete[] p也不会造成内存泄漏，但是为了养成一个良好的编程习惯，array new还是一定要搭配array delete来使用。