new、delete和malloc、free詳解與混用問題

如有錯漏，還望指摘！

以前看到的資料都說，new和delete、new[]和delete[]、malloc和free，必須配套使用，不應該混用。
然而我最近遇到一些相關的問題，因此不得不探究一下，混用了會怎麼樣呢？
其實要想知道能不能混用，問題在於：他們有什麼區別？
其實很簡單：

1. malloc只負責分配內存，free只負責釋放內存。
2. new在分配內存的同時，還會調用構造函數；delete在釋放內存的同時還會調用析構函數。
3. new[]在分配對應大小內存的同時，還會調用對應次數的構造函數；delete[]同理。

但是這裏其實有一個問題：
delete[]是如何知道到底需要調用多少次析構函數的呢？
原來，new[]在分配時，如果類中顯式定義了析構函數，new會在分配的時候，根據系統的位數額外分配對應的空間（32位系統分配32位空間，也就是4字節，64位系統分配64位空間，也就是8字節）。如對於32位系統，new[2]分配的空間應該如下：

在返回的指針之前，還有一個4字節的header，其中存儲了分配的個數，如這裏就應該是2。

所以我們很容易就能得出結論：

1. 對於基本類型而言，沒有區別。根據需要new和malloc可以混用，new[]和malloc可以混用，delete、delete[]和free可以混用。
2. 對於構造函數沒有作用的類，new和malloc可以混用。
3. 對於構造函數有作用的類，如果想混用，需要顯式調用構造函數的邏輯實現。
4. 對於沒有顯式定義析構函數的類，delete、delete[]和free可以混用。
5. 對於顯式定義析構函數的類，delete[]和new[]必須配套使用，delete和free如果想混用，free需要顯式調用析構函數。

代碼：

//構造函數和析構函數都沒有作用。可以隨意混用。
class test1{
public:
    test1(){}
}

int main(void){
    /*
    這裏用任意方式分配的內存都可以用任意方式釋放
    */
    //test1 *ptr = new test1;
    test1 *ptr = new test1[3];
    //test1 *ptr = (test1*)malloc(sizeof(test1));
    
    //delete ptr;
    //delete[] ptr;
    free(ptr);
}

//構造函數有作用。
//沒有顯示定義析構函數，因此delete、delete[]、free可以混用
class test2{
public:
    test2(){
        init();
    }
    inline void init(){
        cout << "constructor" << endl;
    }
}

int main(void){
    //test2 *ptr = new test2;
    //test2 *ptr = new test2[3];
    /*
    這裏如果想用malloc，必須顯示調用構造函數的邏輯。
    注：由於構造函數無法被顯式調用，因此必須另寫一個其實現邏輯，也就是這裏的init()函數。
    */
    test2 *ptr = (test2*)malloc(sizeof(test2));
    ptr->init();
    
    //delete ptr;
    delete[] ptr;
    //free(ptr);
}

//構造函數沒有有作用。new、new[]、malloc可以混用
//顯示定義析構函數
class test3{
public:
    test3(){}
    ~test3(){
        cout << "destructor" << endl;
    }
}

int main(void){
    //test3 *ptr = new test3;
    test3 *ptr = (test3*)malloc(sizeof(test3));
    
    //delete ptr;
    /*
    必須顯示調用析構函數
    */
    ptr->~test3();
    free(ptr);

    /*
    只要定義了析構函數，即使析構函數內是空的，delete[]和new[]也必須配套使用，否則會一直調用析構函數
    */
    //test3 *ptr = new test3[3];
    //delete[] ptr;
}

//對於32位系統，new[]和delete[]的非配套使用。
//顯示定義析構函數
class test3{
public:
    test3(){}
    ~test3(){
        cout << "destructor" << endl;
    }
}

int main(void){
    int n = 3;
    /*
    new[]和free混用
    */
    test3 *ptr1 = new test3[n];
    //模擬delete[]
    for(int i = 0; i < n; i++){
        (ptr1 + i)->~test3();
    }
    ptr = (test3*)( ((char*)ptr) - 4 );
	free(ptr);

    /*
    malloc和delete[]
    */
    //模擬new[]
    test3* ptr2 = (test3*)malloc(4 + n * sizeof(test3));  //如果是64位系統，這裏4換成8
	int32_t* temp = (int32_t*)ptr2;  //如果是64位系統，這裏是int64_t
	*temp = n;
	temp++;
	ptr2 = (test3*)temp;
	for(int i = 0; i < n; i++){
        (ptr2 + i)->init();
    }
    
	delete[] ptr2;
}