深入理解 C++ 中的 new 與 delete：操作符、函數與 placement new

前言：術語的陷阱

C++ 的術語有時令人困惑，例如 new operator（new 操作符）與 operator new 的區別。兩者僅一字之差，卻代表完全不同的機制。搞混它們可能導致記憶體管理錯誤。本文將釐清這些概念，並探討 placement new 以及陣列 new/delete 的細節。

new 操作符：語言內建、行為固定

當你撰寫 string *ps = new string("Memory Management"); 時，使用的是 new 操作符。它如同 sizeof 一樣是語言內建關鍵字，無法改變其行為。它的工作固定包含兩步：

1. 呼叫 operator new 配置足夠的原始記憶體。
2. 在該記憶體上呼叫建構函式初始化物件。

編譯器產生的代碼大致相當於：

void *memory = operator new(sizeof(string)); // 1. 配置原始記憶體
new (memory) string("Memory Management");    // 2. 呼叫建構函式 (placement new 語法)
string *ps = static_cast<string*>(memory);   // 3. 指標指向新物件

注意：程式設計師不能直接呼叫建構函式來初始化堆上物件，這是編譯器的專屬權利。

operator new：可自訂的記憶體配置函數

operator new 是一個可被重載的函數，負責「僅配置記憶體」，不負責建構。標準宣告如下：

void* operator new(std::size_t size) noexcept(false);

• 回傳 void* 指向未初始化的原始記憶體。
• 第一個參數必須是 size_t，可增加額外參數形成重載（如 placement new）。
• 類似 malloc，它不知建構函式為何物。

你通常不直接呼叫它，但若直接呼叫：void* raw = operator new(sizeof(string)); 只會給你一塊夠大的記憶體，裡面沒有 string 物件。

Placement New：在指定記憶體上建構物件

有時我們已擁有一塊記憶體（如共享記憶體、memory-mapped I/O、預先配置的緩衝區），想在上面建構物件。這時使用 placement new：

Widget* constructWidgetInBuffer(void* buffer, int widgetSize) {
    return new (buffer) Widget(widgetSize); // 傳遞額外參數 buffer
}

對應的 operator new 簽名為：

void* operator new(std::size_t, void* location) noexcept {
    return location; // 直接回傳呼叫者提供的位址
}

需包含 <new> 標頭。Placement new 不配置記憶體，只負責在既有記憶體上呼叫建構函式。

陣列 new / delete：operator new[] 與 operator delete[]

配置陣列時：string* ps = new string[10];

• 仍使用 new operator，但配置記憶體改呼叫 operator new[]（array new）。
• 會對每個元素呼叫預設建構函式。
• 刪除時 delete[] ps; 會對每個元素呼叫解構函式，再呼叫 operator delete[] 釋放記憶體。

operator new[] 和 operator delete[] 同樣可重載，允許自訂陣列記憶體管理。早期編譯器若不支援，會退回使用全域 operator new，導致自訂困難。

總結：核心區別一覽

核心原則：你無法改變 new/delete 操作符「做什麼」（配置+建構/解構+釋放），但可透過重載 operator new/delete 改變它們「怎麼做」（記憶體配置/釋放策略）。