delete 和 delete []

每一本 C++ 教材上都會(huì)告訴你,使用new,new [],delete 和 delete [] 的時(shí)候必須要配對(duì)使用,否則會(huì)造成嚴(yán)重的后果。那么,到底會(huì)有什么嚴(yán)重的后果呢?
先說一下 C/C++ 中的內(nèi)存釋放的機(jī)制。當(dāng) C++ 程序從空余內(nèi)存塊中找出分配出 size 大小的內(nèi)存并且使用完之后,在釋放這塊內(nèi)存的時(shí)候,程序如何得知你當(dāng)初申請(qǐng)了多大的內(nèi)存呢?事實(shí)上,當(dāng)使用 malloc/new/new[] 申請(qǐng)了一塊內(nèi)存的時(shí)候,編譯器實(shí)際上會(huì)在這塊內(nèi)存的頭部保存一個(gè) size_t 信息,記錄了這塊內(nèi)存的大小。這個(gè)size信息是需要占用額外的空間的,也就是說:

int * p = new int[10];

這行語(yǔ)句實(shí)際上從系統(tǒng)空閑內(nèi)存中索取了sizeof(int) * 10 + sizeof (size_t) 大小的空間,用圖形表示的話大概是這個(gè)樣子:

系統(tǒng)的內(nèi)存分布

在對(duì) p 指針進(jìn)行free/delete/delete []操作的時(shí)候,實(shí)際上會(huì)先通過 *(p-sizeof(size_t))來獲得這塊內(nèi)存的大小,然后將內(nèi)存歸還給系統(tǒng)。從這一步上來說,free,delete,delete [] 沒有任何區(qū)別——也就是說,對(duì)于下面的兩行代碼:

int * p = new int[10];
delete p;

雖然沒有使用delete [],但內(nèi)存是可以正確地被歸還的,不會(huì)引起內(nèi)存泄漏之類的后果(但是,某些比較 powerful 的編譯器可能會(huì)報(bào)錯(cuò))。恰好相反,如果你覺得delete 沒有 delete [] 強(qiáng)勁,試圖通過一個(gè)循環(huán)歸還內(nèi)存的話:

int * p = new int[10];
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    delete p+i;
}

則會(huì)引發(fā)不可預(yù)知的后果,因?yàn)椋?,這個(gè)時(shí)候整個(gè)數(shù)組都已經(jīng)歸還了,無需再次歸還;2,delete試圖讀取要?jiǎng)h除的指針頭部的size信息,對(duì)于p[1] 及之后的指針來說,前面的一塊內(nèi)存里存放了什么樣的值完全是無法預(yù)料的。同樣地,企圖刪除 new [] 申請(qǐng)的數(shù)組中的某一個(gè)元素也是非法的:

int * p = new int[10];
delete p + 5;  // WRONG!

既然 delete 和 delete [] 都能正確地歸還內(nèi)存,那么這兩者又有什么區(qū)別呢?為什么 new/delete、new []/delete [] 必須配對(duì)使用?
實(shí)際上是,對(duì)于C++程序,delete 不僅肩負(fù)著歸還內(nèi)存的任務(wù),還肩負(fù)著正確地析構(gòu)對(duì)象的任務(wù)。所以,如果用偽代碼表示的話,delete [] 的行為類似于:

for (int i = 0 ; i < memory_size; i = i + sizeof(int)) {
    *((void * )p + i)->~int();  // 這只是個(gè)示例,很多編譯器會(huì)針對(duì)POD對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化,把這一步省略掉
}
free(p);

簡(jiǎn)而言之,先循環(huán)地對(duì)數(shù)組中的對(duì)象都調(diào)用一次析構(gòu)函數(shù),最后再把內(nèi)存歸還給系統(tǒng)。所以,如果對(duì)象存在析構(gòu)函數(shù)并且析構(gòu)函數(shù)肩負(fù)著比較重要的任務(wù),例如釋放資源句柄之類的,則必須要使用 delete [];使用 delete 的話,雖然這塊內(nèi)存會(huì)正確地歸還,但只會(huì)針對(duì)數(shù)組內(nèi)的第一個(gè)對(duì)象執(zhí)行析構(gòu)函數(shù),后續(xù)的對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)都無法被執(zhí)行。

以上是 delete 和 delete [] 的區(qū)別,下面是一些奇技淫巧。

我們知道 C++ 中存在著類繼承,對(duì)于一個(gè)繼承體系下的類的對(duì)象,delete 和 delete [] 是怎么執(zhí)行的呢?

class Base {
    private:
        int a;
    public:
        virtual ~Base() {
            cout << "Good bye, Base!" << endl;
        }
};

class Derived : public Base {
    private:
        int b;
    public:
        virtual ~Derived() {
            cout << "Good bye, Derived!" << endl;
        }
};

對(duì)于下面的兩行代碼:

Base * p = new Derived();
delete p;

對(duì)虛函數(shù)有了解的人都會(huì)知道,在delete p;的時(shí)候,會(huì)執(zhí)行Derived類的析構(gòu)函數(shù),即使p指針是一個(gè)Base類型的指針,這是由C++的虛函數(shù)機(jī)制來保證的。那么問題來了:下面兩行代碼,執(zhí)行結(jié)果是什么?

Base * p = new Derived[10];
delete [] p;

即使new []和 delete [] 正確地配對(duì)使用了,這段程序的運(yùn)行依然是不正確的,會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存訪問錯(cuò)誤。問題就在于,在執(zhí)行 delete [] p的時(shí)候,實(shí)際上是這么執(zhí)行的:

for (int i = 0; i < memory_size; i = i + sizeof(Base)) {
    (Base *)((void * ) p + i)->~();
}
free(p);

實(shí)際上,在對(duì)數(shù)組中的第一個(gè)對(duì)象執(zhí)行析構(gòu)操作的時(shí)候,結(jié)果是正常的:通過虛表指針找到了虛表,再通過虛表找到了派生類的虛析構(gòu)函數(shù)并且執(zhí)行了這個(gè)虛析構(gòu)函數(shù);但是在對(duì)第二個(gè)對(duì)象執(zhí)行析構(gòu)操作的時(shí)候,由于Base對(duì)象和Derived對(duì)象的大小并不相同,(Base *)((void * ) p + i)并不能找到虛表的地址——這個(gè)指針實(shí)際指向的并不是第二個(gè)Derived對(duì)象的開頭,而是第一個(gè)Derived對(duì)象結(jié)尾的幾個(gè)字節(jié)!程序會(huì)錯(cuò)誤地把這末尾的幾個(gè)字節(jié)的內(nèi)容當(dāng)做虛表的地址,所以會(huì)引發(fā)內(nèi)存訪問錯(cuò)誤。
C++允許程序員完全地掌控你所寫的程序(甚至允許你嵌入?yún)R編!),但是你必須搞清楚你所寫的是什么。任何一個(gè)不恰當(dāng)?shù)夭僮鞫伎赡芤l(fā)災(zāi)難性的后果,不會(huì)有 exception 讓你去 catch,而是直接 down 掉整個(gè)程序。這門語(yǔ)言迷人和迷惑人的地方就在這兒——從語(yǔ)言本身的特性來講,C++大概真的是復(fù)雜度最高的編程語(yǔ)言了。

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