浅谈重载new操作符
new是C++里非常重要的一个关键词，用于申请内存、初始化对象。俗话说“有借有还再借不难”，通过new向操作系统“借”到的内存用完后必然要“还”回去，所以对应地还有一个delete操作符与new共同管理内存，delete的作用是析构对象、释放内存。
new有什么作用？
- 申请内存
- 初始化对象
说到内存管理，有些同学会想到C标准库函数malloc()和free()。C++是C语言的延续，那么C++一定可以丝滑地使用这两个标准库函数管理内存，那为什么还要提供关键词new和delete呢？
我们申请到内存后一般都会先做初始化，关键词new相当于用一条语句做两件事——申请内存并初始化。考虑类Test
struct Test {
...
};
使用new生成一个Test的对象
Test* test = new Test(...);
相当于malloc()申请内存后再进行初始化
// void initTest(Test* test);
void* testBuff = malloc(sizeof(Test));
initTest((Test*)testBuff);
同理，delete也是一条语句做了两件事——先析构对象释放相关资源，然后再释放内存。
new和malloc有什么区别？
malloc()和free()是函数，只用于管理内存。
new和delete是操作符，new和delete用于管理内存，还有其他职责——new初始化对象，delete析构对象（清理资源）。
函数和操作符的使用方式存在很大差异。另外，编译后函数调用对应一条函数调用指令，操作符对应一条或多条其他汇编指令。
new有哪些用法？
- plain new
- operator new
- placement new
plain new是new的常见用法，用于生成对象。会申请内存并调用构造函数
Test* test = new Test(...);
operator new用于申请内存，作用与malloc()一样，实际上是函数调用。只会申请内存，不会调用构造函数
void* buff = operator new(sizeof(Test));
placement new用于调用构造函数初始化指定内存。只会调用构造函数，不会申请内存
// void* testBuff;
Test* test = new (testBuff)Test(...);
实际上只要观察Test* test = new Test(...);对应的汇编结果就能发现plain new用法包含了两步——申请内存、调用构造函数
...
mov edi, 4
call operator new(unsigned long)
mov rbx, rax
mov rdi, rbx
call Test::Test() [complete object constructor]
mov QWORD PTR [rbp-24], rbx
...
第3行指令表示调用函数operator new(unsigned long)申请内存；第6行指令表示调用Test的构造函数初始化内存。所以
Test* test = new Test();
相当于
void* buff = operator new(sizeof(Test));
Test* test = new ((Test*)buff)Test;
如何重载new操作符？
重载new操作符实际上是重写函数operator new(...)，对应的是申请内存的步骤，所以重载new操作符后只会影响plain new的内存分配，不影响调用构造函数。
重载new操作符的形式有两种——全局重载、局部重载。
全局重载就是直接重写全局函数operator new(...)
void* operator new(size_t size) {
...
}
从前面Test* test = new Test(...);对应的汇编结果就能看出operator new()是一个全局函数（汇编后函数符号没有任何改变，也没有加任何作用阈），全局重写new操作符后，所有类型的new操作都会调用自定义的operator new()申请内存。
局部重载就是在类中重写静态函数operator new(...)（即便不以static修饰，编译器也会自动转为静态函数）
struct Test {
void* operator new(size_t size) throw() {
...
}
};
局部重载new操作符后，Test* test = new Test(...);对应的汇编代码为
...
mov edi, 4
call Test::operator new(unsigned long)
mov rbx, rax
mov rdi, rbx
call Test::Test() [complete object constructor]
mov QWORD PTR [rbp-24], rbx
...
可以看到第3行的函数调用变为Test::operator new(unsigned long)，增加了作用域Test，意味着自定义的operator new()只会对Test有效。
operator new和throw？
我们知道Test* test = new Test(...);实际上是两步——申请内存、调用构造函数，现在有一个问题，如果内存申请失败返回空指针，构造函数初始化成员函数时岂不是会出现访问空指针的问题？之前在项目上遇到过类似的问题，重载new操作符后构造函数报了空指针访问异常，代码如下
class Test {
private:
int value;
public:
Test() {
printf("[Test] Constructor\n");
value = 1;
}
void* operator new(size_t size) {
printf("[Test] operator new\n");
return NULL; // 内存申请失败，返回空指针
}
};
客户代码
int main() {
printf("-------- start --------\n");
Test* point = new Test();
printf("[main] point is %p\n", point);
printf("-------- done --------\n");
return 0;
}
运行结果出现内存访问错误，错误的位置发生在Test的构造函数中
-------- start --------
[Test] operator new
[Test] Constructor
Segmentation fault: 11
new操作符申请内存失败后，在构造函数中出现了访问空指针的错误。这个问题看起来非常棘手，new操作符会先申请内存然后调用构造函数，这个流程是编译器决定的不能修改，那么要解决这个问题似乎只有两个思路——在使用new之前手动判断内存是否会申请成功；在构造函数中判断this指针是否为空。
用这两种方式解决都存在隐患——因为需要改动很多代码，而人总是会出错的。事实上，一个throw()声明（或者宏_NOEXCEPT）就可以解决这个问题。
关键字thow的是用来声明异常的，说明函数会抛出哪些类型的异常，显而易见throw()说明函数不会抛出任何类型的异常，Test类只要做以下改动即可
class Test {
...
void* operator new(size_t size) throw() { // 只比原来的代码多了 throw()
...
}
...
};
运行结果
-------- start --------
[Test] operator new
[main] point is 0x0
-------- done --------
new操作符申请内存失败后未调用构造函数，不会出现访问空指针的问题。
为了一探究竟，我们比较一下加了thow()声明和没有throw()声明的汇编结果（右侧是无throw()的，左侧是有throw()的）
总的来说，加了throw()声明后会多两条汇编指令，用于在operator new的返回结果是空指针时不调用Test的构造函数。
在线工具
最后，分享一个在线汇编神器： https://godbolt.org/