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C++中的new和delete的实现原理

Coco
Coco原创
2021年12月11日 14:32:12599浏览

  1. new与operator new

  C++中有很多语法让人难以理解,如:new operator(操作符,下同)和operator new之间差异,确切的说,应该是new与operator new 的区别。

  1.1 new operator

  如下代码:

  string *ps=new string("memory management");

  这里所使用的new就是所谓new operator,是由C++语言内建的,就像sizeof那样,不能改变意义,总是做相同的事情。

  这个动作的含义分为两方面:

  第一,它分配足够的内存,用来放置某类型的对象。对于上例而言,它分配足够放置一个string 对象内存。第二,它调用一个构造函数,为刚才分配的内存中的那个对象设定初始值。

  new operator总是做这两件事,无论如何你是不能改变其行为。

  1.2 operator new

  能够改变的是用来容纳对象的那块内存的分配行为,new operator调用某个函数,执行必要的内存分配动作,你可以重写或者重载那个函数,改变其行为。这个函数名称就叫operator new 。

  函数 operator new 通常声明如下:

  void * operator new (size_t size);

  其返回类型void*。即返回一个指针,指向一块原始的、未设置初始值的内存。

  函数中的size_t参数表示需要分配多少内存,你可以将operator new 重载,加上额外的参数,但第一个参数类型必须总是size_t。

  或者你从来没有直接用过operator new ,但是你可以像调用任何其他函数一样地调用它。

  void* rawMemory=operator new(sizeof(string));

  这里的operator new 将返回指针,它指向一块足够容纳string对象的内存。

  和malloc一样,operator new 的唯一任务就是分配内存,它不知道什么是构造函数,它只负责分配内存。

  取得operator new 返回的内存并将之转为一个对象,是new operator的责任。

  1.3 当编译器看到这个句子:

  string *ps=new string("memory management");

  它必须产生一些代码,或多或少会反映如下行为:

  1) void* memory=operator new(sizeof(string)); //取得原始内存,用于放置一个string对象2) call string::string("memory management") on *memory;//将内存中对象初始化3) string *ps=static_cast(memory); //让ps指向新完成的对象

  注意第二步,调用一个构造函数。身为程序员没有权利绕过new operator像这么使用构造函数,但是编译器却是这么干的。

  这就是为什么如果你想要做出一个heap-based object,一定要用new operator的原因。

  也就是说new 出来的东西都放在heap里面,而无法直接调用“对象初始化所必须的构造函数”。

  2. placement new

  2.1 有时候你真的会想直接调用一个构造函数,针对一个已经存在的对象调用其构造函数,并无意义,因为构造函数用来对象初始化,而对象只能初始化一次。但是你偶尔会有一些分配好的原始内存,你需要在上面构建对象,有一个特殊的地方 operator new 称为placement new,允许这么做。

  例如:

  class Widget { public: Widget(int widgetSize); ...... };

  Widget* constructWidgetInBuffer(void *buffer,int size) { return new (buffer) Widget(size); }

  此函数返回指针,指向一个Widget object,它被构造于传递给此函数的一块内存缓存区上。当程序运行到共享内存或者内存I/O映射。这类函数可能是有用的,因为在那样运用中,对象必须置于特定的地址,或者置于特殊函数分配出来的内存上。

  2.2 函数内部

  Widget* constructWidgetInBuffer 只有一个表达式new (buffer) Widget(size),

  有点奇怪,其实不足为奇,这是new operator的用法之一,指定一个额外的自变量(buffer)作为new operator "隐式调用operator new "。于是,被调用的operator new 除了接受"一定要有size_t自变量"之外,还接受了一个void* 参数,指向一块内存,准备用来接受构造好的对象。这样的operator new 就是所谓的placement new :

  void * operator new(size_t size,void* location)

  {

  return location;

  }

  operator new 的目的是要为对象找到一块内存,然后返回一个指针指向它,在placement new 的情况下,调用者已经知道指向内存的指针了,因为调用者知道对象应该放在哪里。因此placement new 唯一需要做的就是将它获得的指针再返回。

  至于没有用到(但一定得有)的size_t参数,之所以不赋予名称,为的是避免"编译器某物未被使用"的警告。

  另外注意:placement new 是C++标准程序库的一部分,要使用placement new 得用#include,旧式编译器用 #include

  回头想想placement new ,我们便能了解new operator和operator new之间的关系。

  两个术语表面上令人迷惑,但其实很好理解:

  1)如果你希望将对象产生于heap,就是得new operator,它不但分配内存而为该对象调用一个构造函数。2)如果你只是打算分配内存,请用operator new,就没有构造QQ靓号卖号平台函数被调用。3)如果你打算在heap object产生自己决定的内存分配方式,请写一个自己的operator new。并使用new operator,它将会自动调用你所写的operator new。4)如果你打算在已经分配(并拥有指针)的内存构造对象,请使用placement new 。 3. delete 与内存释放

  为了避免resource leaks,每一个动态分配行为都必须匹配一个相应的释放动作。

  3.1 函数 operator delete对于内建的delete operator(操作符)就好像 operator new 对于new operator一样。

  string *ps;

  ...

  delete ps; //使用delete operator.

  内存释放动作是由operator delete执行的,通常声明如下:

  void operator delete(void* memoryToBeDeallocated);

  因此 delete ps;会造成编译器代码如下:

  1)ps->~string();//调用析构函数2)operator delete(ps);//释放对象所占用的内存3.2 这里提示我们,如果只打算处理原始的、未设初值的内存,应该完全回避 new operator和delete operator。改为调用operator new取得内存并以operator delete归还系统。

  例如:

  void* buffer=operator new (50*sizeof(char));//分配内存,放置50个char,没有调用构造函数

  ...

  operator delete(buffer); //释放内存,而没有直接调用析构函数。

  这组行为类似malloc和free。

  3.3 placement new

  如果使用了placement new ,在某块内存中产生对象,你应该避免那块内存使用delete operator(操作符)。

  因为delete operator会调用operator delete来释放内存,但是该内存所含的对象最初并不是由operator new 分配来的。placement new只是返回它接收的指针而已,谁知道那个指针从哪里来呢?

  所以为了抵消该对象的构造函数的影响,使用placement new 时应该直接调用该对象的析构函数。

  例如:

  void * mallocShared(size_t size);//申请分配内存

  void freeShared(void * momery);//释放内存

  void* sharedMemory=mallocShared(sizeof(Widget));

  Widget *pw=constructWidgetBuffer(sharedMemory,10);//使用前面Widget类的placement new

  ...

  delete pw;//无定义,因为sharedMemory来自mallocShared,不是来自new。

  pw->~Widget();//OK,析构函数pw所指Widget对象,但并未释放Widget所占用内存。

  freeShared(pw);//OK,释放pw所指的内存,不调用任何析构函数。

  如上述所示,如果交给placement new的原始内存(raw memory)本身是动态分配而得的,那么最终得释放那块内存,以避免memory leak。

  4. 动态分配数组(Arrays)

  前面所做的都是基于单一对象上的,如果是一组对象呢?

  string *ps=new string[10];//分配一个对象数组

  4.1 这里的new 与前面的new 行为类似,但略有不同,这里不能再operator new分配内存,而是以operator new[]负责分配。

  和operator new 一样,operator new[]也可以被重载。

  注:operator new[]是相当晚的时候才加入C++的一个特性,所以你的编译器不一定能支持它。如果是这样,全局的operator new 会被用来为每一个数组分配内存(不论数组中的对象是什么类型)。在这样的编译器下定制“数组内存分配行为”很困难,因为你得改写全局的operator new才行。默认情况下,全局版的operator new 负责程序中所有的动态内存分配,所以其行为的任何改变都可能带来全局的影响。

  另外,前面讲过,operator new 只允许size_t一个参数。所以你如果决定声明为自己的函数,你的程序便不兼容于任何做了相同决定的程序库。

  多方面考虑之下,如果编译器不支持operator new[],定制数组内存管理行为,不是一个明智的决定。

  4.2 数组的new 与单一对象的new所调用的构造函数不同,数组的new 必须针对数组中每一个对象调用一个构造函数。

  string *ps=new string[10];//调用operator new[]以分配足够容纳10个string对象的内存,然后针对每个元素调用string的默认构造函数。

  同样的,当使用了delete,它也会针对数组中每一个元素调用析构函数,然后再调用operator delete[]释放内存。

  如:delete []ps;//为数组中的每一个元素调用string 析构函数,然后再调用 operator delete[] 释放内存。 (先调用析构函数,再释放内存。)

  跟operator delete一样 operator delete[]也可以被重载。

  最后小结一下,new 和delete都是内建的操作符,语言本身所固定了,无法重新定制。但它所调用的内存分配/释放的函数,即operator new和operator delete可以被重载。

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