C++ new/delete 深度解析：operator new、placement new、數組分配、配對陷阱

new/delete 是關鍵字，不是函數

new 表達式完成兩件事：調用 operator new 分配原始內存，然後調用構造函數初始化對象。delete 反之：先調用析構函數，再調用 operator delete 釋放內存。

operator new / operator delete（標準庫函數）

void* operator new(std::size_t size);           // 單對象分配
void  operator delete(void* ptr) noexcept;      // 單對象釋放
void* operator new[](std::size_t size);         // 數組分配
void  operator delete[](void* ptr) noexcept;    // 數組釋放

• 類似 malloc/free，但可重載、可拋異常（bad_alloc）。
• 不進行對象構造/析構，僅管理原始內存。
• 可直接調用：void* p = operator new(sizeof(Foo));。

new 表達式背後機制

Foo* p = new Foo(10);  // 單對象
// 等價於：
void* raw = operator new(sizeof(Foo));
Foo* p = new(raw) Foo(10);  // placement new 調用構造函數

delete 表達式背後機制

delete p;
// 等價於：
p->~Foo();                 // 顯式調用析構函數
operator delete(p);        // 釋放內存

數組 new[] / delete[] 的特殊處理

• new Foo[3]：分配 3*sizeof(Foo) + 額外空間（通常 4/8 字節）存儲數組長度（cookie），調用 3 次構造函數，返回首元素地址（cookie 之後）。
• delete[] p：讀取 cookie 獲取長度 N，逆序調用 N 次析構函數，釋放整個塊（含 cookie）。
• 嚴禁混用：new[] 必須配 delete[]，new 配 delete。混用導致析構次數錯誤、內存釋放地址錯誤、崩潰。

為什麼 new[] 配 delete 有時能跑通？

• 內置類型（int、double）無析構函數，delete p 僅調用 operator delete(p)。若實現中 new[] 未存 cookie（某些編譯器對 POD 類型優化），則 p 指向塊首，delete 能正確釋放。但不可依賴，屬未定義行為。
• 類類型有析構函數時，delete p 只會析構第 1 個對象，其餘洩漏；且釋放地址錯誤（未扣除 cookie），堆損壞必現。

Placement New（定位 new）

char buffer[sizeof(Foo)];
Foo* p = new(buffer) Foo(10);  // 在預備緩衝區構造對象
p->~Foo();  // 手動調用析構，不釋放 buffer 內存

• 用於對象池、共享內存、嵌入式系統固定內存區。
• 不分配內存，僅調用構造函數。

常見陷阱總結

最佳實踐

1. 現代 C++ 優先用智能指針（unique_ptr, shared_ptr）和容器，避免裸 new/delete。
2. 必須手動管理時：嚴格配對，new/delete、new[]/delete[]。
3. 類管理資源時遵循 Rule of Five。
4. 基類析構 必須 virtual。