在 C++ 中，为什么需要“new”来动态创建对象而不仅仅是分配？

Question

我有这个简单的类层次结构：

class Base {
public:
    virtual int x( ) const = 0;
};

class Derived : public Base {
    int _x;
public:
    Derived( int x ) : _x(x) { }
    int x( ) const { return _x; }
};

如果我使用 malloc 分配 Derived 的实例，然后尝试访问多态函数 x ，程序崩溃（我遇到分段错误）：

int main( ) {
    Derived *d;
    d = (Derived*) malloc( sizeof(Derived) );
    *d = Derived( 123 );

    std::cout << d->x() << std::endl; // crash

    return 0;
}

当然，我的实际应用程序要复杂得多（它是一种内存池）。

---

我很确定这是因为我分配d的方式：我没有使用new。

我知道展示位置新 运算符，这一定是我需要的，但我从未使用过它，并且有一些问题：

• 如果我不使用 new，为什么我的应用程序会崩溃？

  new 实际上是做什么的？

  为什么我不能直接使用赋值运算符将 Derived( 123 ); 的值赋给 d 指向的内存区域？

• 对于非多态类型，我是否也需要使用 new ？

  POD 怎么样？

• 在我上面链接的C++常见问题 它表示传递给放置 new 的内存区域必须与我正在创建的对象对齐。

  我知道什么是对齐，但我不知道如何检查我的类所需的对齐。

  malloc手册说：

  <块引用>

  malloc() 和 calloc() 函数返回一个指向已分配内存的指针，该指针适合任何类型的变量。

  我希望我的类所需的对齐方式是 sizeof 返回的类大小，以便 address_returned_by_malloc + i * sizeof(my_class) 形式的任何地址> 适合分配我的对象。

  我的希望对吗？

Answer 1

让我们继续往下看，

1. 如果我不使用 new，为什么我的应用程序会崩溃？

虚拟表已损坏。

虚拟表卡在分配的内存之后。当您new一个类时，生成的代码将正确设置vtable。但是，malloc 不会正确初始化 vtable

要查看虚拟表，请运行
g++ -fdump-class-hierarchy

Vtable for Derived
Derived::_ZTV7Derived: 3u entries
0     (int (*)(...))0
8     (int (*)(...))(& _ZTI7Derived)
16    Derived::x

Class Derived
   size=16 align=8
   base size=12 base align=8
Derived (0x10209fc40) 0
    vptr=((& Derived::_ZTV7Derived) + 16u) <-- notice how this is part of the structure
  Base (0x10209fcb0) 0 nearly-empty
      primary-for Derived (0x10209fc40)

出于类似的原因，在不重载operator=的情况下，生成的汇编代码将只复制数据而不复制vtable[再次强调，编译器只知道复制数据，而不知道复制vtable]

如果你想查看带有有效 vtable 函数的基于指针的版本：

Derived e(123);
d = &e;

1. 对于非多态类型，我还需要使用 new 吗？

如果您使用的是虚函数，那么是的，即使对于非多态类型，

1. 我希望我的类所需的对齐是 sizeof 返回的类大小，以便任何形式为 address_returned_by_malloc + i * sizeof(my_class) 的地址都是适合分配我的对象。

对齐不是问题。

Answer 2

因为 malloc 不会调用类的构造函数，并且不知道它可能具有的任何特定对齐要求。如果您需要使用malloc（不推荐），请查看placement new（假设您出于某种原因不想超载常规的new）。

Answer 3

我不相信使用 malloc 时会调用对象的构造函数。

Answer 4

标准的 [basic.life] 部分说

对象的生命周期是对象的运行时属性。如果一个对象属于类或聚合类型，并且该对象或其成员之一是由普通默认构造函数以外的构造函数初始化的，则称该对象具有非平凡初始化。 [ 注意：通过简单的复制/移动构造函数进行的初始化是非简单的初始化。 — 尾注] T 类型对象的生命周期开始于：

• 获得类型 T 具有正确对齐和大小的存储，并且
• 如果对象进行了重要的初始化，则其初始化已完成。

由于您的类具有虚拟成员，因此需要进行重要的初始化。您无法分配生命周期尚未开始的对象，必须使用new初始化它。

Answer 5

具有虚拟成员的类包含一个指向所谓的 vtable 的指针 - 基本上是指向这些虚拟成员的实现的函数指针表。当您使用operator new时，会调用构造函数，即使它是隐式构造函数，也会正确设置指向虚函数表的指针。

但是，malloc 不会调用构造函数。 vtable指针未初始化，指向一些随机内存。当您尝试调用虚拟函数时，您会取消引用错误的指针并崩溃（未定义的行为）。

解决方案是在使用对象之前使用placement new 来初始化该对象：

int main( ) {
    Derived *d;
    d = (Derived*) malloc( sizeof(Derived) );
    new(d) Derived(123); // invoke constructor
// You could also do:
//    new(d) Derived;
//    *d = Derived( 123 );

    std::cout << d->x() << std::endl; // crash

    // Although in your case it does not matter, it's good to clean up after yourself by
    // calling the destructor
    d->~Derived();
    return 0;
}

需要注意的一些重要事项：

• 对齐不是问题。 malloc 中的内存对于任何 C++ 类型都是正确对齐的。
• 使用 = 进行分配没有帮助。 = 的默认实现会复制所有成员变量，但 vtable 指针不是成员，不会被复制。
• POD 类型不需要构造。非 POD 类型可能需要也可能不需要（如果不需要，则这是未定义的行为）。特别地，构造函数还调用成员变量构造函数；因此，如果不构造外部对象，内部对象也可能会被破坏。