在 C++ 中，数组分配的 new 和 new[] 有什么区别

Question

我知道 C++ 中的 free 和 delete 之间的区别。但我从来不明白的一件事是，为什么在 C 中 malloc/free 可以分配取消分配单个“对象”和数组，但在 C++ 中，我们需要使用正确的 new/delete vs new[]/delete[] 对。

在 Stackoverflow 上搜索，似乎在 C++ 中，new[] 分配了额外的内存来保存已分配数组的大小，而 new 仅将内存分配给对象本身。因此，您应该注意这种额外的开销。

如果上一段确实如此，那么 malloc/free 如何处理这个开销？或者他们只是接受这个开销？如果它在 C 中是可以容忍的，为什么不能在 C++ 中呢？

另一方面，如果不是因为内存开销，而是因为调用构造函数和析构函数，编译器就不能足够聪明地在后台生成适当的代码，让程序员只写 new/delete对于单个对象和对象数组？

我正在为一种语义类似于 C++ 的玩具语言编写编译器，似乎可以让编译器决定如何仅使用 new/delete 进行分配和取消分配，但由于 C++ 使用 new/delete和 new[]/delete[]，也许有一个我现在没有看到的问题。也许与多态性和虚拟表有关？

如果您好奇，我的幼稚想法是简单地分配一个整数以及对象/数组，其中该整数是数组的大小，如果是对象，则为简单的 1。然后在调用delete的时候检查整数的值，如果是1就调用析构函数。如果它大于 1，则将调用析构函数的数组迭代到数组中的每个对象。正如我所说，它似乎有效，并且会让程序员只写 new/delete 而不是 new/delete vs new[]/delete。但话又说回来，也许有一个我没有看到的问题。

编辑部分：

经过一些回答，我决定尝试提供一些伪代码和更好的背景。

在 C 语言中，内存分配通常使用 malloc() 进行，而取消分配则使用 free()。如果您要分配单个 POD、单个结构或数组， malloc() 适合所有这些情况。如果要分配单个结构，则不需要 malloc() 的不同版本，而如果要分配数组，则不需要 malloc_array() 版本。至少在公共 API 级别。换句话说，似乎分配几个字节或多个字节都没有关系，记录分配大小信息不会有任何开销。

正如你们中的许多人（包括我自己）所知道的，new 和 delete 不仅仅是分配和取消分配内存。 new 分配内存并调用构造函数，delete 调用析构函数然后释放内存。但是在 C++ 中，您需要注意分配的只是单个对象还是对象数组。如果要分配数组，则需要使用 new[]/delete[] 对。

在 C 中，如果您实现二叉树，节点将使用 malloc 分配并使用 free 取消分配，而在 C++ 中使用 new 和 delete。但是，如果你在 C++ 中实现类似向量类的东西，在 C 中你仍然会使用 malloc/free，但现在在 C++ 中你需要使用 new[]/delete[]（考虑一个没有太多黑魔法的理智实现） .

考虑以下由编译器执行的伪代码。在这个伪代码中，delete 函数以某种方式访问​​ malloc 内部并知道有多少字节，这反过来可以很容易地用于计算有多少对象。由于此删除实现使用 malloc 内部来了解分配了多少内存，因此理论上不应该有记账开销。

// ClassType is a meta type only know by the compiler
// it stores a class info such as name, size, constructors and so on
void *new(ClassType c) {
    // allocates memory with malloc. Malloc() do the storage bookkeeping
    // note that somehow malloc is allocating just a single object
    c *ptr = malloc(sizeof(c));

    // now, call the constructor of the requested class
    c.constructor(ptr);

    // return the new object
    return ptr;
}

void *new(ClassType c, size_t n) {
    c *ptr = malloc(sizeof(c) * n);

    // iterate over the array and construct each object
    for (i = 0; i < n; ++i) {
        c.constructor(ptr[i]);
    }

    return ptr;
}

// this delete version seems to be able to de-allocate both single
// objects and arrays of objects with no overhead of bookkeeping because
// the bookkeeping is made by malloc/free. So I would need 
// just a new/delete pair instead of new/delete vs new[]/delete[]
// Why C++ doesn't use something like my proposed implementation? 
// What low-level details prohibits this implementation from working?
void delete(ClassType c, void *ptr) {
    // get raw information of how many bytes are used by ptr;
    size_t n = malloc_internals_get_size(ptr);

    // convert the number of bytes to number of objects in the array
    n = c.bytesToClassSize(n);

    c* castedPointer = (c*) ptr;

    // calls the destructor
    for (i = 0; i < n; ++i) {
        c.destructor(castedPointer[i]);
    }

    // free memory chunk
    free(ptr);
}

Answer 1

为什么在 C 中 malloc/free 可以同时分配和释放单个“对象”

Malloc 不创建任何对象。它分配不包含任何对象的“原始内存”。相应地，free 不会破坏任何对象。 new 表达式创建对象，delete 销毁对象，而delete[] 销毁对象数组。

为了让语言实现知道delete[] 需要销毁多少对象，该数字必须存储在某个地方。为了让语言实现知道delete 需要销毁多少对象，该数字不需要需要存储在任何地方，因为它始终是一个。

存储数字不是免费的，存储未使用的数字是不必要的开销。存在不同形式的删除，以便语言实现可以销毁正确数量的对象，而无需存储非数组new创建的对象数量。

那么 malloc/free 如何处理这个开销？

malloc/free 没有这种开销，因为它不创建或销毁对象。因此，没有什么需要处理的。

在存储 malloc 确实需要处理的已分配字节数方面存在类似的问题。没有用于分配或释放单个字节的类似单独函数。这可能是因为这种用例可能很少见。 Malloc 有更聪明的方法来处理存储它，因为分配比需要更多的内存是不可观察的，而这种技巧对于对象的数量是不可能的，因为对象的创建和销毁是可观察的（至少在非平凡类型的情况下） .

new 通常通过在内部使用 malloc 来处理存储分配字节数的问题。

编译器不能足够聪明地在后台生成适当的代码

并非没有某种开销，不。有开销是的，它可以。

但话又说回来，也许有一个我没有看到的问题。

我不确定这是否是您没有看到的问题，但您的想法的问题是即使分配了单个对象也会分配整数的开销。

Answer 2

malloc 的一些巧妙实现实际上并没有跟踪每次分配的大小（通过巧妙地使用舍入），因此它具有极低的空间开销。他们将分配一大块内存，并且只要开发人员分配 bit 开销，因此每 8 个分配都有一个共享的 byte 开销。几乎没有。 （还有比这更聪明的策略，这只是一个简化的例子）

new 和delete 可以共享这种超低开销的实现，因为delete 知道总是销毁一个对象，而不管它实际有多少空间。这又是超快的，而且空间开销低。

delete[] 不能这样做，因为它必须准确知道要调用多少个析构函数。所以它必须跟踪数组中有多少项目，最多 std::size_t，这意味着每个 new[] 必须添加大约 4 个字节。如果数据需要对齐 >4，那么每个分配还必须在计数和数组中的第一项之间浪费填充字节。并且delete[] 因此必须知道如何查看填充，找到计数，因此它确切知道要销毁多少对象。每次分配都需要时间和更多空间。

C++ 让您可以在“始终有效，但速度较慢且更大”和“仅适用于一项，但速度更快且更小”之间进行选择，因此程序可以尽可能快地运行。

Answer 3

并不是所有的实现在 new/delete 与 new[]/delete[] 之间都有区别，但它们存在是因为 new 表达式在数组的情况下表现不同。问题是 new 表达式不仅仅是对 new 运算符的调用，底层运算符可能是相同的：

#include <iostream>
// class-specific allocation functions
struct X {
    static void* operator new(std::size_t sz)
    {
        std::cout << "custom new for size " << sz << '\n';
        return ::operator new(sz);
    }
    static void* operator new[](std::size_t sz)
    {
        std::cout << "custom new[] for size " << sz << '\n';
        return ::operator new(sz);
    }
};
int main() {
     X* p1 = new X;
     delete p1;
     X* p2 = new X[10];
     delete[] p2;
}

但它们也可能重载到不同的。对于本机编译器来说，这可能是重要的区别，如果您正在编写解释器，或者如果您不希望用户修改 new\delete，您可以以不同的方式执行此操作。在 C++ 中，new 表达式在使用提供的函数分配内存后调用一个构造函数，new[] 表达式将调用几个并存储计数。当然，如果编译器像 Java 那样拥有面向对象的内存模型，那么数组将是一个具有大小属性​​的对象。单个对象只是一个实例的数组。正如你所说，我们不需要单独的删除表达式。