C++:59---特殊工具与技术之控制内存分配（重载new和delete、定位new表达式）

• 某些应用程序对内存分配有特殊的需要，因此我们无法将标准内存管理机制直接应用于这些程序。它们常常需要自定义内存分配的细节，比如使用关键字new将对象放置在特定的内存空间中。为了实现这一目的，应用程序需要重载new运算符和delete运算符以控制内存分配的过程

一、重载new和delete

new和delete的工作原理

• 重载new和delete比普通的运算符重载做的工作要多，在重载之前先了解一下new和delete的工作原理
• new的工作原理一般分为三步：
  • 第一步：new表达式调用一个名为operator new（或operator new[]）的标准库函数。该函数分配一块足够大的、原始的、未命名的内存空间以便存储特定类型的对象（或对象的数组）
  • 第二步：编译器运行相应的构造函数以构造这些对象，并为其传入初始值
  • 第三步：对象被分配了空间并构造完成，返回一个指向该对象的指针

   

    

     

      

     
     

      

       std::
       string *sp = 
       new 
       std::
       string(
       "a value"); 
       //分配并初始化一个string对象
      
     
    

     

      

     
     

      

       std::
       string *arr = 
       new 
       std::
       string[
       10];       
       //分配10个默认初始化的string对象
      
     
   

• delete的工作原理一般分为二步：
  • 第一步：对所指对象或所指数组中的元素执行对应的析构函数
  • 第二步：调用名为operator delete（或operator delete[]）的标准库函数释放内存空间

   

    

     

      

     
     

      

       delete sp;    
       //销毁sp，释放sp所指的内存空间
      
     
    

     

      

     
     

      

       delete[] arr; 
       //销毁数组中的所有元素，然后释放对应的内存空间
      
     
   

重载new和delete之后的调用顺序

• 应用程序可以在全局作用域中定义operator new函数和operator delete函数，也可以将它们定义为成员函数

• 如果被分配（释放）的对象是类类型，那么编译器调用new（或delete）的查找顺序为：
  • 先去全局作用域中查找应用程序释放重载了new（或delete），如果有，就使用
  • 如果全局作用域没有重载，那么再去类中查找是否有重载的new（或delete）成员函数，如果有，就使用
  • 如果也没有成员函数版本，那么最终才去使用标准库提供的new（或delete）
• 我们也可以使用作用域运算符令new（或delete）忽略定义在类中的函数，而直接使用全局作用域中的版本。例如：

   

    

     

      

     
     

      

       ::
       new     
       //查找全局作用域中的new
      
     
    

     

      

     
     

      

       ::
       delete  
       //查找全局作用域中的delete
      
     
   

标准库接口

• 标准库定义了operator new函数和operator delete函数的8个重载版本。其中：
  • 前4个版本可能会抛出异常
  • 后4个版本则不会抛出异常

• nothrow_t结构：定义在new头文件中的一个struct，这个类型不包含任何成员
• nothrow对象：定义在new头文件中的一个const对象，用户可以通过这个对象请求new的非抛出异常版本（可以参阅此文章中的“bad_alloc异常处理”：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/95603693）

重载的new和delete成员版本是静态的

• 我们可以将new和delete重载为全局版本的或者是类成员版本的。如果重载的是类成员版本的，那么成员版本的new和delete将默认是静态的（我们无需为其声明static）
• 原因：
  • 因为new用在对象构造之前，delete用在对象销毁之后，所以这两个成员必须是静态的
  • 而且它们不能操纵类的任何数据成员

重载new

• 对于标准库的operator new和operator new[]来说：

  • 返回值类型必须是void*

  • 第一个形参的类型必须是size_t，且该形参不能含有默认实参

• 如果我们自定义operator new和operator new[]：

  • 可以为它们提供额外的形参。此时，用到这些自定义函数的new表达式必须使用new的定位形式（见下文介绍），将实参传给新增的形参

• 但是需要注意，下面的这个函数不能被用户重载（这种形式只供标准库使用，不能被用户重载）：

void *operator new(size_t, void*);  //不允许重载这个版本

重载delete

• 对于标准库的operator delete和operator delete[]来说：

  • 返回值类型必须是void

  • 第一个形参的类型必须是void*。执行一条delete表达式将调用相应的operator函数，并用指向待释放内存的指针来初始化void*形参

• 如果我们自定义operator delete和operator delete[]：

  • 与析构函数类似，operator delete不允许抛出异常。所以当我们重载这些运算符时，必须使用noexcept异常说明符指定其不抛出异常

  • 当我们将delete或delete[]定义为类的成员时，该函数可以包含另外一个类型为size_t的形参：

    • 此时，该形参的初始值是第一个形参所指对象的字节数

    • size_t形参可用于删除继承体系中的对象。如果基类有一个虚析构函数，则传递给delete的字节数将因待删除指针所指对象的动态类型不同而有所区别。而且，实际运行的delete函数版本也由对象的动态类型决定

malloc函数、free函数

• 我们虽然重载了operator new和operator delete函数，但是函数最终还是需要进行内存的分配和释放，那么当使用到内存的分配和释放时，可以调用C函数库的malloc和free函数
• malloc和free函数参阅：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/88880389
• 下面是重载operator new和operator delete的一种简单形式，例如：

   

    

     

      

     
     

      

       void *operator new(std::size_t size)
      
     
    

     

      

     
     

      

       {
      
     
    

     

      

     
     

      
    
       if (
       void *mem = 
       malloc(size))
      
     
    

     

      

     
     

      
        
       return mem;
      
     
    

     

      

     
     

      
    
       else
      
     
    

     

      

     
     

      
        
       throw 
       std::bad_alloc();
      
     
    

     

      

     
     

      

       }
      
     
    

     

      

     
     

      
 
      
     
    

     

      

     
     

      

       void operator delete(void *mem)noexcept
      
     
    

     

      

     
     

      

       {
      
     
    

     

      

     
     

      
    
       free(mem);
      
     
    

     

      

     
     

      

       }
      
     
   

二、定位new表达式（placement new）

• 定位new在另外一篇文章也单独介绍过，可以参阅：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/103547699
• operator new和operator delete可以用来分配和释放空间，但是不会构造或销毁对象（需要我们自己在函数中书写）。但是，我们可以使用new的定位new（placement new）形式构造对象
• 定位new为分配函数提供了额外信息，我们可以使用定位new传递一个地址，此时定位new的形式如下所示：
  • place_address：是一个指针
  • initializers：提供一个（可能为空的）以逗号分隔的初始值列表，该初始值列表将用于构造新分配的对象

• 当仅通过一个地址值调用时，定位new使用operator new(size_t,void*)分配内存。这是一个我们无法自定义的operator new版本。该函数不分配任何内存，只是简单地返回指针实参；然后由new表达式负责在指定的地址初始化对象以完成整个工作。事实上，定位new允许我们在一个特定的、预先分配好的内存地址上构造函数

• 定位new类似于allocator类的construct成员，但是有一个重要的区别：
  • 我们传递给construct的指针必须指向同一个allocator对象分配的空间
  • 但是传给定位new的指针无须指向operator new分配的内存。实际上，传给定位new表达式的指针甚至不需要指向动态内存

显式的析构函数调用

• 类似于定位new和allocate类一样，对析构函数的显式调用也与使用destroy一样
• 我们既可以通过对象调用析构函数，也可以通过对象的指针或引用调用析构函数，与调用成员函数类似：

   

    

     

      

     
     

      

       std::
       string *sp = 
       new 
       std::
       string(
       "a value");
      
     
    

     

      

     
     

      

       sp->~
       string(); 
       //调用析构函数销毁对象，但是sp所指的内存没有释放
      
     
   

• 和调用destroy类似，调用析构函数可以销毁对象但是不会释放内存空间。因此我们可以反复利用这个内存空间。例如：

   

    

     

      

     
     

      

       std::
       string *sp = 
       new 
       std::
       string(
       "a value");
      
     
    

     

      

     
     

      

       sp->~
       string(); 
       //调用析构函数销毁对象，但是sp所指的内存没有释放
      
     
    

     

      

     
     

      
 
      
     
    

     

      

     
     

      

       std::
       string *sp=
       new 
       std::
       string(
       "new value"); 
       //重新使用sp所指的内存空间进行对象的构造