delete 和 delete []

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

int * p = new int[10];

這行語句實際上從系統空閑內存中索取了sizeof(int) * 10 + sizeof (size_t) 大小的空間,用圖形表示的話大概是這個樣子:

系統的內存分布

在對 p 指針進行free/delete/delete []操作的時候,實際上會先通過 *(p-sizeof(size_t))來獲得這塊內存的大小,然后將內存歸還給系統。從這一步上來說,free,delete,delete [] 沒有任何區別——也就是說,對于下面的兩行代碼:

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

雖然沒有使用delete [],但內存是可以正確地被歸還的,不會引起內存泄漏之類的后果(但是,某些比較 powerful 的編譯器可能會報錯)。恰好相反,如果你覺得delete 沒有 delete [] 強勁,試圖通過一個循環歸還內存的話:

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

則會引發不可預知的后果,因為:1,這個時候整個數組都已經歸還了,無需再次歸還;2,delete試圖讀取要刪除的指針頭部的size信息,對于p[1] 及之后的指針來說,前面的一塊內存里存放了什么樣的值完全是無法預料的。同樣地,企圖刪除 new [] 申請的數組中的某一個元素也是非法的:

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

既然 delete 和 delete [] 都能正確地歸還內存,那么這兩者又有什么區別呢?為什么 new/delete、new []/delete [] 必須配對使用?
實際上是,對于C++程序,delete 不僅肩負著歸還內存的任務,還肩負著正確地析構對象的任務。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();  // 這只是個示例,很多編譯器會針對POD對象進行優化,把這一步省略掉
}
free(p);

簡而言之,先循環地對數組中的對象都調用一次析構函數,最后再把內存歸還給系統。所以,如果對象存在析構函數并且析構函數肩負著比較重要的任務,例如釋放資源句柄之類的,則必須要使用 delete [];使用 delete 的話,雖然這塊內存會正確地歸還,但只會針對數組內的第一個對象執行析構函數,后續的對象的析構函數都無法被執行。

以上是 delete 和 delete [] 的區別,下面是一些奇技淫巧。

我們知道 C++ 中存在著類繼承,對于一個繼承體系下的類的對象,delete 和 delete [] 是怎么執行的呢?

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;
        }
};

對于下面的兩行代碼:

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

對虛函數有了解的人都會知道,在delete p;的時候,會執行Derived類的析構函數,即使p指針是一個Base類型的指針,這是由C++的虛函數機制來保證的。那么問題來了:下面兩行代碼,執行結果是什么?

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

即使new []和 delete [] 正確地配對使用了,這段程序的運行依然是不正確的,會出現內存訪問錯誤。問題就在于,在執行 delete [] p的時候,實際上是這么執行的:

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

實際上,在對數組中的第一個對象執行析構操作的時候,結果是正常的: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函數并且執行了這個虛析構函數;但是在對第二個對象執行析構操作的時候,由于Base對象和Derived對象的大小并不相同,(Base *)((void * ) p + i)并不能找到虛表的地址——這個指針實際指向的并不是第二個Derived對象的開頭,而是第一個Derived對象結尾的幾個字節!程序會錯誤地把這末尾的幾個字節的內容當做虛表的地址,所以會引發內存訪問錯誤。
C++允許程序員完全地掌控你所寫的程序(甚至允許你嵌入匯編!),但是你必須搞清楚你所寫的是什么。任何一個不恰當地操作都可能引發災難性的后果,不會有 exception 讓你去 catch,而是直接 down 掉整個程序。這門語言迷人和迷惑人的地方就在這兒——從語言本身的特性來講,C++大概真的是復雜度最高的編程語言了。

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