C++中的new与delete与虚析构函数的关系的实验研究
这是我在进行内部培训《C++程序编译与运行期间存储资源的分配》期间，为了保证培训内容的准确性而做的实验，最初想把它写成一篇介绍C++编译器如何解释动态内存分配的文档，考虑到各个编译器之间的差异，以及我个人对编译器的了解十分有限，在这里我没有下定论，而只给出个人的初步分析结果。
以下实验是在VC7.1，缺省的调试模式下进行的。作为一个惯例，我对做实验的类重载new与delete操作符，实现方式是调用全局的new 与delete分配内存，我个人增加的内容是打印出分配内存的地址,用来观察指针的值是否发生变化。每个实验的类都包含了成员变量，这样是为了防止子类与父类对象大小一致，从而影响实验结果。我先从一个正常的例子开始
知识点： new与delete始终是静态函数，不能够被继承
1． 一个正常的例子
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#include <iostream> class MyBase{ int i; public: void* operator new(size_t s){ void* p = ::operator new (s); std::cout << "MyBase address by new : " << int(p) << std::endl; return p; } void operator delete(void* p){ std::cout << "MyBase address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete p; } MyBase(){ i=1; } ~MyBase(){ std::cout << "i=" << i <<std::endl; std::cout << "~MyBase()" <<std::endl; } }; int main(){ MyBase* p = new MyBase; delete p; } |
我编写一个类MyBase，重载了new与delete操作符，在main()中验证动态分配与释放MyBase对象。
运行结果如下：
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MyBase address by new : 3409880 i=1 ~MyBase() MyBase address by delete: 3409880 |
我的分析：
1） MyBase类的对象的构造函数，析构函数都得到了执行
2） new与delete的地址一致，没有内存泄漏。
2．转换new出来的指针，delete会发生什么？
2.1 转换成void*
稍微修改上面例子中的main函数，
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int main(){ MyBase* p = new MyBase; void* pv = p; delete pv; //delete void*类型的指针 } |
输出结果：
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MyBase address by new : 3409880 |
我的分析：
1） MyBase类的析构函数没有得到执行。
2） new与delete的地址一致，一般不会造成内存泄漏。
2.2强制转换成其他对象的指针
我们在上面的例子中，增加一个新的类NoRelation，将上面new出来对象的指针强制转换成NoRelation对象的指针，然后delete掉这个NoRelation对象的指针。
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class NoRelation{ public: void* operator new(size_t s){ void* p = ::operator new(s); std::cout << "NoRelation address by new : " << int(p) << std::endl; return p; } void operator delete(void* p){ std::cout << "NoRelation address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete p; } NoRelation(){ } ~NoRelation(){ std::cout << "~NoRelation()" <<std::endl; } }; int main(){ MyBase* p = new MyBase; NoRelation* pn = (NoRelation*)p; delete pn; } |
输出结果：
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MyBase address by new : 3409880 ~NoRelation() NoRelation address by delete: 3409880 |
我的分析：
1） 调用了其他类型的析构函数，MyBase类的构造/析构函数成对关系的得到破坏
2） new与delete的地址一致，一般不会造成内存泄漏
点评：
将new出来的指针转换成其他类型的指针（父子类关系除外），会导致构造与析构函数之间的成对关系得到破坏，如果析构函数不做任何清理操作，不会出什么问题，如果析造函数需要清理内存或其他重要资源，结果将是未知的。
3. 基类的析构函数不是虚的，在动态分配与释放内存中会发生些什么
前面的实验没有考虑继承关系。在共有继承时，基类的析构函数必须是虚的，违反这条原则会如何呢？我们接着实验。
3.1 单继承中的动态内存释放
我们编写一个新的类MyNew继承MyBase, MyBase的析构函数不是虚的，我们在main()中动态获取MyNew类型的对象指针，却释放MyBase类型的指针。
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#include <iostream> class MyBase{ int i; public: void* operator new(size_t s){ void* p = ::operator new (s); std::cout << "MyBase address by new : " << int(p) << std::endl; return p; } void operator delete(void* p){ std::cout << "MyBase address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete p; } MyBase(){ i=1; } ~MyBase(){ std::cout << "i=" << i <<std::endl; std::cout << "~MyBase()" <<std::endl; } };
class MyNew: public MyBase{ int j; public: void* operator new(size_t s){ void* p = ::operator new (s); std::cout << "MyNew address by new : " << int(p) << std::endl; return p; } void operator delete(void* p){ std::cout << "MyNew address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete p; } MyNew(){ j = 2; std::cout << "MyNew()" <<std::endl; } ~MyNew(){ std::cout << "j=" << j <<std::endl; std::cout << "~MyNew()" <<std::endl; } }; int main(){ MyBase* p = new MyNew; delete p; } |
输出结果：
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MyNew address by new : 3409880 MyNew() i=1 ~MyBase() MyBase address by delete: 3409880 |
初步分析：
1） 子类的析构函数没有执行
2） new与delete的地址一致，一般不会造成内存泄漏
问题：在继承结构中，基类的析构函数不是虚的，释放内存真的没有问题么？？我们用下面的实验证明它只在单继承结构中有效。
知识点：
1） 在单继承中，子类对象与父类对象占用相同的起始空间，子类向父类转换时不需要调整偏移（或偏移为0），在多重继承与虚继承中却需要做这种指针调整。
2） 编译器在编译一个类的析构函数时，为了能够正确释放内存，需要做一些额外工作，在
《Modern C++ Design Generic Programming and Design Patterns Applied》 4.7节中有所阐述
3.2 多重继承中的动态内存释放
我们增加另外一个类MyBase2，MyBase2只有一个成员变量（注意：编译器会生成一个非虚的析构函数），然后让类MyNew从MyBase与MyBase2继承，相应的main函数也作相应的修改。
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class MyBase2 { int i; }； class MyNew: public MyBase, public MyBase2{ int j; public: void* operator new(size_t s){ void* p = ::operator new (s); std::cout << "MyNew address by new : " << int(p) << std::endl; return p; }
void operator delete(void* p){ std::cout << "MyNew address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete p; } MyNew(){ j = 2; std::cout << "MyNew()" <<std::endl; } ~MyNew(){ std::cout << "j=" << j <<std::endl; std::cout << "~MyNew()" <<std::endl; } };
int main(){ MyBase2* p = new MyNew; delete p; } |
测试结果：
初步分析：
1） 基类的析构函数不是虚的，会导致子类的析构函数不会被执行
2） 释放内存的指针很可能不指向获取内存时的地址，在调试版可能会抛出异常，在发行版本会造成内存泄漏
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如果将上面基类修改为虚析构函数，编译器会做指针调整，保证程序运行正确
virtual ~MyBase() virtual ~MyBase2()
修改后的测试结果： MyNew address by new : 3409880 MyNew() j=2 ~MyNew() i=10 ~MyBase2() i=1 ~MyBase() MyNew address by delete: 3409880 |
4．数组类型New[]与delete[]
4.1 析构函数不为虚，对数组对象内存释放的影响
同样我们来做数组对象的实验，我们在main()中，动态分配与释放数组。
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#include <iostream> class MyBase{ int i; public: void* operator new(size_t s){ void* p = ::operator new (s); std::cout << "MyBase address by new : " << int(p) << std::endl; return p; } void operator delete(void* p){ std::cout << "MyBase address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete p; } MyBase(){ i=1; } ~MyBase(){ std::cout << "i=" << i <<std::endl; std::cout << "~MyBase()" <<std::endl; } }; class MyNew: public MyBase{ int j; public: MyNew(){ j = 2; }
~MyNew(){ std::cout << "j=" << j <<std::endl; } };
int main(){ MyBase* p = new MyNew[2]; delete[] p; } |
测试结果：
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MyBase address by new : 3409880 i=2 i=1 MyBase address by delete: 3409880 |
初步分析：
1）基类析构函数不是虚的，会造成编译器对对象地址的解析错误，在本例中将一个MyNew对象当成了两个MyBase对象。
2）由于调用析构函数的个数与分配时一致，可以认为VC7.1编译器在对数组对象分配内存时，保存了对象的个数，由于父类与子类对象大小不一样，导致分配与释放内存时的内存长度计算结果不同，是否会内存泄漏取决于编译器的实现。
4.2 数组对象与一般对象的new 与delete不匹配
数组对象与一般对象的new 与delete不匹配的后果是什么呢？大部分C++的书籍给出的结果都是“后果是未知的”，是什么样的原因导致了这样的结论了，我们修改main()接着做实验。
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#include <iostream> class MyBase{ int i; public: void* operator new[](size_t s){ void* p = ::operator new (s); std::cout << "MyBase address by new : " << int(p) << std::endl; return p; } void operator delete[](void* p){ std::cout << "MyBase address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete[] p; } void* operator new(size_t s){ void* p = ::operator new (s); std::cout << "MyBase address by new : " << int(p) << std::endl; return p; } void operator delete(void* p){ std::cout << "MyBase address by delete: " << int(p) << std::endl; ::delete p; } MyBase(){ i=1; } ~MyBase(){
std::cout << "i=" << i <<std::endl; } };
int main(){ MyBase* p = new MyBase[2]; delete p; } |
测试结果：
初步分析：
1） VC7.1编译器对于数组对象，返回内存地址的前4个字节保存了数组对象的个数
2） VC7.1编译器new与delete不匹配，会造成释放内存的指针很可能不指向获取内存时的地址，在调试版可能会抛出异常，在发行版本会造成内存泄漏
至于new一个数组对象，释放数组中单个对象的情况，比较简单在此不做实验与分析
5. 基本结论
在C++中类型转换（非父子类之间），基类析构函数不为虚，new与delete之间不匹配，除了可能导致内存泄漏，还可能干扰编译器对类型的正确解释以及调用错误的析构函数，如果在程序中不加控制使用，会导致不可预知的后果。