operator new在C++中的各种写法
乍一看，在C++中動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存很簡(jiǎn)單：new是分配，delete是釋放，就這么簡(jiǎn)單。然而，這篇文章講得要復(fù)雜一點(diǎn)，并且要考慮到自定義層次。這也許對(duì)簡(jiǎn)單的程序并不重要，但對(duì)你在代碼中控制內(nèi)存卻是十分必要的，是否能寫一個(gè)自定義的分配器，某種高級(jí)內(nèi)存管理表或一個(gè)特定的垃圾回收機(jī)制。
這篇文章并不是一個(gè)綜合的手冊(cè)，而是一個(gè)C++中各種內(nèi)存分配方法的概述。它面向已經(jīng)很熟悉C++語言的讀者。
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原生operator?new
我們先從原生operator?new開始。考慮如下代碼，它用來分配5個(gè)int型的空間并返回指向他們的指針[1]：
int*?v?=?static_cast<int*>(::operator?new(5?*?sizeof(*v)));
當(dāng)像如上的調(diào)用，operator?new扮演原生的內(nèi)存分配角色，類似malloc。上面等價(jià)于：
int*?v?=?static_cast<int*>(malloc(5?*?sizeof(*v)));
釋放用operator?new分配的內(nèi)存用operator?delete：
::operator?delete(v);
你愿意永遠(yuǎn)用原生new和delete函數(shù)嗎？是，只在極少數(shù)不用，我在下面的文章中會(huì)論證的。為什么用它們而不用原來的可信的malloc和free呢？一個(gè)很充分的原因就是你想保持代碼在C++領(lǐng)域的完整性。混合使用new和free（或malloc和delete）是很不可取的（big?NO?NO）。用new和delete的另一個(gè)原因是你可以重載(overload)或重寫(override)這些函數(shù)，只要你需要。下面是個(gè)例子：
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void*?operator?new(size_t?sz)?throw?(std::bad_alloc)
{
????cerr?<<?"allocating?"?<<?sz?<<?"?bytesn";
????void*?mem?=?malloc(sz);
????if?(mem)
????????return?mem;
????else
????????throw?std::bad_alloc();
}
void?operator?delete(void*?ptr)?throw()
{
????cerr?<<?"deallocating?at?"?<<?ptr?<<?endl;
????free(ptr);
}?
通常，注意到new被用來給內(nèi)置類型，不包含用戶自定義new函數(shù)的類的對(duì)象，和任意類型的數(shù)組分配空間，使用的都是全局的運(yùn)算符new。當(dāng)new被用來為已經(jīng)被重定義new的類實(shí)例化時(shí)，用的就是那個(gè)類的new函數(shù)。
下面來看下帶new函數(shù)的類。
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特定類的operator?new
大家有時(shí)很好奇"operator?new"和"new?operator"的區(qū)別。前者可以是一個(gè)重載的operator?new，全局的或者特定類或者原生的operator?new。后者是你經(jīng)常用來分配內(nèi)存的C++內(nèi)置的new?operator，就像：
Car*?mycar?=?new?Car;
C++支持操作符重載，并且我們可以重載的其中一個(gè)就是new。
下面是個(gè)例子：
class?Base
{
public:
????void*?operator?new(size_t?sz)
????{
????????cerr?<<?"new?"?<<?sz?<<?"?bytesn";
????????return?::operator?new(sz);
????}
????void?operator?delete(void*?p)
????{
????????cerr?<<?"deleten";
????????::operator?delete(p);
????}
private:
????int?m_data;
};
class?Derived?:?public?Base
{
private:
????int?m_derived_data;
????vector<int>?z,?y,?x,?w;
};
int?main()
{
????Base*?b?=?new?Base;
????delete?b;
????Derived*?d?=?new?Derived;
????delete?d;
????return?0;
}
打印結(jié)果:
new?4?bytes
delete
new?56?bytes
delete
在基類被重載的operator?new和operator?delete也同樣被子類繼承。如你所見，operator?new得到了兩個(gè)類的正確大小。注意實(shí)際分配內(nèi)存時(shí)使用了::operator?new，這是前面所描述過的原生new。在調(diào)用前面的兩個(gè)冒號(hào)很關(guān)鍵，是為了避免進(jìn)行無限遞歸（沒有它函數(shù)將一直調(diào)用自己下去）。
為什么你要為一個(gè)類重載operator?new？這里有許多理由。
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性能：默認(rèn)的內(nèi)存分配算符被設(shè)計(jì)成通用的。有時(shí)你想分配給一個(gè)非常特殊的對(duì)象，通過自定義分配方式可以明顯地提高內(nèi)存管理。許多書和文章都討論了這種情況。尤其是"Modern?C++?Design"的第4章展示了一個(gè)為較小的對(duì)象的非常好的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自定義的分配算符。
調(diào)試?&?統(tǒng)計(jì)：完全掌握內(nèi)存的分配和釋放為調(diào)試提供了很好的靈活性，統(tǒng)計(jì)信息和性能分析。你可將你的分配算符插入進(jìn)專門用來探測(cè)緩沖區(qū)溢出的守衛(wèi)，通過分配算符和釋放算符(deallocations)的比較來檢測(cè)內(nèi)存泄漏，為統(tǒng)計(jì)和性能分析積累各種指標(biāo)，等等。
個(gè)性化：對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存分配方式。一個(gè)很好的例子是內(nèi)存池或arenas，它們都使得內(nèi)存管理變得更簡(jiǎn)單。另一個(gè)例子是某個(gè)對(duì)象的完善的垃圾回收系統(tǒng)，可以通過為一個(gè)類或整個(gè)層面寫你自己的operators?new和delete。
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研究在C++中new運(yùn)算符是很有幫助的。分配是分兩步進(jìn)行：
1.??首先，用全局operator?new指導(dǎo)系統(tǒng)請(qǐng)求原生內(nèi)存。
2.??一旦請(qǐng)求內(nèi)存被分配，一個(gè)新的對(duì)象就在其中開始構(gòu)造。
The?C++?FAQ給出一個(gè)很好的例子，我很愿意在這里這出來：
當(dāng)你寫下這段代碼：
Foo*?p?=?new?Foo();
編譯器會(huì)生成類似這種功能的代碼：
Foo*?p;
?//?don't?catch?exceptions?thrown?by?the?allocator?itself
//不用捕捉分配器自己拋出的異常
?void*?raw?=?operator?new(sizeof(Foo));
?//?catch?any?exceptions?thrown?by?the?ctor
//捕捉ctor拋出的任何異常
?try?{
???p?=?new(raw)?Foo();??//?call?the?ctor?with?raw?as?this?像這樣用raw調(diào)用ctor分配內(nèi)存
?}
?catch?(...) {
???//?oops,?ctor?threw?an?exception?啊哦，ctor拋出了異常
???operator?delete(raw);
???throw;??//?rethrow?the?ctor's?exception?重新拋出ctor的異常
?}
其中在try中很有趣的一段語法被稱為"placement?new"，我們馬上就會(huì)討論到。為了使討論完整，我們來看下用delete來釋放一個(gè)對(duì)象時(shí)一個(gè)相似的情況，它也是分兩步進(jìn)行：
1.??首先，將要被刪除對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用。
2.??然后，被對(duì)象占用的內(nèi)存通過全局operator?delete函數(shù)返還給系統(tǒng)。
所以:
delete?p;
等價(jià)于[2]:
if?(p?!=?NULL) {
??p->~Foo();
??operator?delete(p);
}
這時(shí)正適合我重復(fù)這篇文章第一段提到的，如果一個(gè)類有它自己的operator?new或?operator?delete，這些函數(shù)將被調(diào)用，而不是調(diào)用全局的函數(shù)來分配和收回內(nèi)存。
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Placement?new
現(xiàn)在，回來我們上面看到樣例代碼中的"placement?new"問題。它恰好真的能用在C++代碼中的語法。首先，我想簡(jiǎn)單地解釋它如何工作。然后，我們將看到它在什么時(shí)候有用。
直接調(diào)用?placement?new會(huì)跳過對(duì)象分配的第一步。也就是說我們不會(huì)向操作系統(tǒng)請(qǐng)求內(nèi)存。而是告訴它有一塊內(nèi)存用來構(gòu)造對(duì)象[3]。下面的代碼表明了這點(diǎn)：
int?main(int?argc,?const?char*?argv[])
{
????//?A?"normal"?allocation.?Asks?the?OS?for?memory,?so?we
????//?don't?actually?know?where?this?ends?up?pointing.
????//一個(gè)正常的分配。向操作系統(tǒng)請(qǐng)求內(nèi)存，所以我們并不知道它指向哪里
????int*?iptr?=?new?int;
????cerr?<<?"Addr?of?iptr?= "?<<?iptr?<<?endl;
????//?Create?a?buffer?large?enough?to?hold?an?integer,?and
????//?note?its?address.
????//創(chuàng)建一塊足夠大的緩沖區(qū)來保存一個(gè)整型，請(qǐng)注意它的地址
????char?mem[sizeof(int)];
????cerr?<<?"Addr?of?mem?= "?<< (void*)?mem?<<?endl;
????//?Construct?the?new?integer?inside?the?buffer?'mem'.
????//?The?address?is?going?to?be?mem's.
????//在緩沖區(qū)mem中構(gòu)造新的整型，地址將變成mem的地址
????int* iptr2 =?new?(mem)?int;
????cerr?<<?"Addr?of?iptr2 = "?<< iptr2 <<?endl;
????return?0;
}
在我的機(jī)器上輸出如下：
Addr?of?iptr?= 0x8679008
Addr?of?mem?= 0xbfdd73d8
Addr?of?iptr2 = 0xbfdd73d8
如你所見，placement?new的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。而有趣的問題是，為什么我需要用這種東西？以下顯示了placement?new在一些場(chǎng)景確實(shí)很有用：
·?????????自定義非侵入式內(nèi)存管理。當(dāng)為一個(gè)類重載?operator?new?同時(shí)也允許自定義內(nèi)存管理，這里關(guān)鍵概念是非侵入式。重載一個(gè)類的?operator?new需要你改變一個(gè)類的源代碼。但假設(shè)我們有一個(gè)類的代碼不想或者不能更改。我們?nèi)绾稳阅芸刂扑姆峙淠?#xff1f;?Placement?new就是答案。這種用?Placement?new達(dá)到這個(gè)目的的通用編程技術(shù)叫做內(nèi)存池，有時(shí)候也叫arenas[4]。
·?????????在一些程序中，在指定內(nèi)存區(qū)域的分配對(duì)象是很必要的。一個(gè)例子是共享內(nèi)存。另一個(gè)例子是嵌入式程序或使用內(nèi)存映射的周邊驅(qū)動(dòng)程序，這些都可以很方便地在它們的“領(lǐng)地”分配對(duì)象。
·?????????許多容器庫(kù)預(yù)先分配很大一塊內(nèi)存空間。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被添加，它們就必須在這里構(gòu)造，因此就用上了placement?new。典型的例子就是標(biāo)準(zhǔn)vector容器。
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刪除用placement?new?分配的對(duì)象
一條C++箴言就是一個(gè)用new創(chuàng)建的對(duì)象應(yīng)該用delete來釋放。這個(gè)對(duì)placement?new?同樣適用嗎？不完全是：
int?main(int?argc,?const?char*?argv[])
{
????char?mem[sizeof(int)];
????int* iptr2 =?new?(mem)?int;
????delete?iptr2;???????//?Whoops,?segmentation?fault!?嗚啊，段錯(cuò)誤啦！
????return?0;
}
為了理解上面代碼片段為什么delete?iptr2會(huì)引起段錯(cuò)誤（或某種內(nèi)存異常，這個(gè)因操作系統(tǒng)而異），讓我們回想下delete?iptr2實(shí)際干了什么：
1.??First,?the?destructor?of?the?object?that’s?being?deleted?is?called.
首先，調(diào)用將要被刪除的對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)。
2.??Then,?the?memory?occupied?by?the?object?is?returned?to?the?OS,?represented?by?the?global?operator?delete?function.
然后，這個(gè)對(duì)象在操作系統(tǒng)中占用的內(nèi)存用全局operator?delete函數(shù)收回。
對(duì)于用placement?new分配的對(duì)象，第一步是沒有問題的，但第二步就可疑了。嘗試釋放一段沒有被分配算符實(shí)際分配的內(nèi)存就不對(duì)了，但上面的代碼確實(shí)這么做了。iptr2指向了一段并沒有用全局operator?new分配的棧中的一段位置。然而，delete?iptr2將嘗試用全局operator?delete來釋放內(nèi)存。當(dāng)然會(huì)段錯(cuò)誤啦。
那么我們應(yīng)該怎么辦？我們應(yīng)該怎樣正確地刪除iptr2？當(dāng)然，我們肯定不會(huì)認(rèn)為編譯器怎么會(huì)解決怎么翻譯內(nèi)存，畢竟，我們只是傳了一個(gè)指針給placement?new，那個(gè)指針可能是從棧里拿，從內(nèi)存池里或者別的地方。所以必須手動(dòng)根據(jù)實(shí)際情況來釋放。
事實(shí)上，上面的placement?new用法只是C++的new指定額外參數(shù)的廣義placement?new語法的一種特例。它在標(biāo)準(zhǔn)頭文件中定義如下：
inline?void*?operator?new(std::size_t,?void* __p)?throw()
{
????return?__p;
}
C++一個(gè)對(duì)應(yīng)的帶有相同參數(shù)的delete也被找到，它用來釋放一個(gè)對(duì)象。它在頭文件中定義如下：
inline?void??operator?delete??(void*,?void*)?throw()
{
}
的確，C++運(yùn)行并不知道怎么釋放一個(gè)對(duì)象，所以delete函數(shù)沒有操作。
怎么析構(gòu)呢？對(duì)于一個(gè)int，并不真的需要一個(gè)析構(gòu)函數(shù)，但假設(shè)代碼是這樣的：
char?mem[sizeof(Foo)];
Foo*?fooptr?=?new?(mem)?Foo;
對(duì)于某個(gè)有意義的類Foo。我們一旦不需要fooptr了，應(yīng)該怎么析構(gòu)它呢？我們必須顯式調(diào)用它的析構(gòu)函數(shù)：
fooptr->~Foo();
對(duì)，顯式調(diào)用析構(gòu)函數(shù)在C++中是合法的，并且這也是唯一一種正確的做法[5]。
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結(jié)論
這是一個(gè)復(fù)雜的主題，并且這篇文章只起到一個(gè)介紹的作用，對(duì)C++的多種內(nèi)存分配方法給出了一種“嘗鮮”。一旦你研究一些細(xì)節(jié)會(huì)發(fā)現(xiàn)還有許多有趣的編程技巧（例如，實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)存池分配）。這些問題最好是在有上下文的情況下提出，而不是作為一個(gè)普通的介紹性文章的一部分。如果你想知道得更多，請(qǐng)查閱下面的資源列表。
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資源
·?????????C++?FAQ?Lite,?especially?items?11.14?and?16.9
·?????????"The?C++?Programming?Language, 3rd?edition"?by?Bjarne?Stroustrup?–?10.4.11
·?????????"Effective?C++, 3rd?edition"?by?Scott?Myers?–?item?52
·?????????"Modern?C++?Design"?by?Andrei?Alexandrescu?–?chapter?4
·?????????Several?StackOverflow?discussions.?Start?with?this?one?and?browse?as?long?as?your?patience?lasts.
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| [1] | 我仍會(huì)在operator?new前面顯式地寫::（雙冒號(hào)），雖然這里并不是必須的。恕我直言，這是一個(gè)很好的做法，特別當(dāng)在重載operator?new的類中，可以避免二義性。 |
| [2] | 注意到這里是檢查是否為NULL。這樣做使delete?p?很安全，即使p是NULL。 |
| [3] | 對(duì)傳給placement?new的指針確保有足夠的內(nèi)存分配給對(duì)象，并且確保它們正確地對(duì)齊，這都是你的應(yīng)該做的。 |
| [4] | 內(nèi)存池本身是一個(gè)很大且迷人的話題。我并不打算在這里擴(kuò)展，所以我鼓勵(lì)你自己上網(wǎng)找些信息，WIKI如往常一樣是個(gè)好地方(good?start)。 |
| [5] | 事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)的vector容器用這種方法去析構(gòu)它保存的數(shù)據(jù)。 |
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的operator new在C++中的各种写法的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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