Может ли компилятор оптимизировать распределение от кучи до стека?

Да, это законно. expr.new/10 из C ++ 14:

Реализации разрешено опускать вызов заменяемой функции глобального распределения (18.6.1.1, 18.6.1.2). При этом хранилище вместо этого предоставляется реализацией или предоставляется путем расширения выделения другого выражения new-expression.

expr.delete/7:

Если значение операнда выражения удаления не является значением нулевого указателя, то:

- Если вызов выделения для нового-выражения для удаляемого объекта не был пропущен и выделение не было расширено (5.3.4), выражение-удаление должно вызывать функцию освобождения (3.7.4.2). Значение, возвращаемое из вызова выделения нового выражения, должно быть передано в качестве первого аргумента функции освобождения.

- В противном случае, если выделение было расширено или было предоставлено путем расширения выделения другого выражения-нового-выражения, и выражение-удаление для каждого другого значения указателя, созданного новым-выражением, у которого было хранилище, предоставленное расширенным-новым-выражением, было оценено , выражение удаления должно вызывать функцию освобождения. Значение, возвращаемое из вызова выделения расширенного нового выражения, должно быть передано в качестве первого аргумента функции освобождения.

- В противном случае выражение удаления не вызовет функцию освобождения (3.7.4.2).

Итак, в общем, можно заменить new и delete чем-то определенным в реализации, например, с использованием стека вместо кучи.

Примечание: как комментирует Массимилиано Джейнс, компилятор не может точно придерживаться этого преобразования для вашего образца, если do_something выдает: компилятор должен опустить вызов деструктора f в этом случае (в то время как ваш преобразованный образец действительно вызывает деструктор в этом случае). Но кроме этого, можно бесплатно поместить f в стек.

Они не эквивалентны. f.do_something() может бросить, и в этом случае первый объект останется в памяти, а второй будет уничтожен.

Я хотел бы указать на то, что ИМО недостаточно подчеркивает в других ответах:

struct Foo {
    static void * operator new(std::size_t count) {
        std::cout << "Hey ho!" << std::endl;
        return ::operator new(count);
    }
};

Распределение new Foo(), как правило, не может быть заменено, потому что:

Реализации разрешено опускать вызов заменяемой функции глобального распределения (18.6.1.1, 18.6.1.2). Когда это происходит, хранилище вместо этого предоставляется реализацией или предоставляется путем расширения выделения другого нового выражения.

Таким образом, как и в примере Foo выше, необходимо вызвать Foo::operator new. Пропуск этого вызова изменит наблюдаемое поведение программы.

Пример из реальной жизни: Foos может потребоваться размещение в какой-то специальной области памяти (например, ввод-вывод с отображением памяти) для правильной работы.