2023-08-18
C++
首先应该明白的是，new 和 operator new 最大的区别在于：
-
new是一个 C++ 语法关键字； -
operator new是 C++ 标准库中的一个函数，其函数签名是：// 定义在 <new> 头文件中 void* operator new( std::size_t count );
new 关键字会调用 operator new 函数
当你使用 new 这个关键字（即 new 表达式）去“创建对象”的时候，它会进行如下两个步骤：
- 首先，调用
operator new函数来申请一块内存空间，大小就是正在创建的对象的大小； - 然后，如果创建的是一个类对象的话，就在这块内存空间上调用这个类的构造函数，对内存空间进行初始化。
用代码来说明上述过程：
Object* p = new Object(value);
等价于：
void* v = operator new(sizeof(Object));
p = reinterpret_cast<Object*>(v);
p->Object::Object(value); // 这句话不是合法的 C++ 代码，因为 C++ 不允许我们直接
// 调用构造函数，这里只是为了展示编译后的代码行为。
也就是说，编译器会把上面的代码编译成机器码，而这个机器码在逻辑上等价于下面的代码。
而 delete 表达式与 operator delete 函数之间的关系也一样：
delete p;
等价于：
p->~Object();
operator delete(p);
new[] / delete[] 表达式也一样，会调用 operator new[] / operator delete[] 这个函数来分配连续的空间。
Placement new 的情况
我们知道，new 表达式有一个常见的变体是 Placement new，即你可以额外传一个地址参数给它：
Object* obj = new(ptr) Object(); // 在 ptr 处构造对象，没有额外申请内存空间。
此时，Placement new 表达式会调用 operator new 函数的一个重载版本：
void* operator new( std::size_t count, void* ptr );
这个重载版本拥有第二个参数 ptr，这个 ptr 就是你在 Placement new 表达式里传的那个参数。
这个 Placement operator new 函数的实现非常简单，就是直接将 ptr 参数返回：
void* operator new( std::size_t count, void* ptr ) {
return ptr;
}
这就让后续构造过程在 ptr 地址处发生，达到 Placement new 的效果。
::new 和 ::operator new
你会经常见到别人写 new 或 operator new 的时候额外加上 ::（scope resolution operator），即 ::new 和 ::operator new。这是为什么呢？
C++ 允许我们通过操作符重载，为特定 class 实现特定的 operator new。例如下面的代码为 X 这个类型定义了 operator new 和 operator new[]，让它们在被调用时打印一条信息：
#include <iostream>
// class-specific allocation functions
struct X
{
static void* operator new(std::size_t count)
{
std::cout << "custom new for size " << count << '\n';
return ::operator new(count);
}
static void* operator new[](std::size_t count)
{
std::cout << "custom new[] for size " << count << '\n';
return ::operator new[](count);
}
};
int main()
{
X* p1 = new X;
delete p1;
X* p2 = new X[10];
delete[] p2;
}
输出：
custom new for size 1
custom new[] for size 10
即，new 表达式会因为 X 拥有自定义的 operator new 和 operator new[] 而去调用它们。
所以，如果我们希望绕过一个类型自己定义的 operator new 或 operator new[]，就需要在 new 关键字前加一个 ::，代表使用 global namespace 下的那个标准库定义的 operator new 函数。当然，如果你只想调用这个标准库定义的 operator new 函数用于空间分配，也可以直接调用 ::operator new 函数，不使用 ::new 表达式。
new 的更多用法：控制内存对齐和抛出异常
前面提到的 Placement new 表达式，即 new(param)，其实只是 new 能额外传参数的一种表现。如果你去看标准库中 operator new 函数的所有重载版本，还可以见到以下两种版本：
void* operator new( std::size_t count, std::align_val_t al );
void* operator new( std::size_t count, const std::nothrow_t& tag );
第一种版本用于强制要求分配的空间具有更严格的内存对齐，对齐为 al 的整数倍，如：
int* p = new(std::align_val_t{4096}) int; // 分配 4096 字节对齐的空间
这在某些应用场景下非常有用，如 Metal 要求如果要从一块儿已有内存空间创建 MTLBuffer，就需要这块儿内存空间是 page-size 对齐的。
第二种版本，则是可以要求这次 new 一定不抛出异常，如果内存申请失败，则返回空指针：
int* p = new(std::nothrow) int[100000000ul]; // non-throwing overload
if (p == nullptr) {
std::cout << "Allocation returned nullptr\n";
}
当然，这也满足了某些要求不能抛出异常的应用场景。
总结
一开始仅仅想了解 new 和 operator new 的区别，之后顺藤摸瓜找到许多关于 new 的新知识。所以，之后再遇到 new 表达式的各种用法时，就不再惧怕，因为它们本质上都是在调用 operator new 函数的各种重载版本而已，new 只是起到一个类似语法糖的作用，并没有引入新的内容。