C++ new的三种面貌

1.new的三种面貌

C++中使用new运算符产生一个存在于Heap(堆)上对象时,实际上调用了operator new()函数和placement new()函数。在使用new创建堆对象时,我们要清楚认清楚new的三种面貌,分别是:new operator、operator new()和placement new()。

1.1new operator

new operator是C++保留的关键字,我们无法改变其含义,但我们可以改变new完成它功能时调用的两个函数,operator new()和placement new()。也就是说我们在使用运算符new时,其最终是通过调用operator new()和placement new()来完成堆对象的创建工作。使用new operator时,其完成的工作有如下三步:

因此,当我们经常按照如下方式使用new operator时:

string* sp=new string(“hello world”);

实际上等价于:

//第一步:申请原始空间,行为类似于malloc
void* raw=operator new(strlen(“hello world”));
//第二步:通过placement new调用string类的构造函数,初始化申请空间
new (raw) string(“hello world”);
//第三部:返回对象指针
string* sp=static_cast<string*>(raw);

1.2operator new()

operator new()用于申请Heap空间,功能类似于C语言的库函数malloc(),尝试从堆上获取一段内存空间,如果成功则直接返回,如果失败则转而去调用一个new handler,然后抛出一个bad_alloc异常。operator new()的函数原型一般为

void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);

具体实现如下:

void *__CRTDECL operator new(size_t size) throw (std::bad_alloc)
{       
    // try to allocate size bytes
    void *p;
    while ((p = malloc(size)) == 0)      //申请空间
        if (_callnewh(size) == 0)        //若申请失败则调用处理函数
        {       
            // report no memory
            static const std::bad_alloc nomem;
            _RAISE(nomem);               //#define _RAISE(x) ::std:: _Throw(x) 抛出nomem的异常
        }
    return (p);
}

注意: (1)函数后添加throw表示可能会抛出throw后括号内的异常; (2)operator new()分为全局和类成员。当为类成员函数时,使用new产生类对象时调用的则是其成员函数operator new()。如果要重载全局的operator new会改变所有默认的operator new的方式,所以必须要注意。正如new与delete相互对应,operator new与operator delete也是一一对应,如果重载了operator new,那么理应重载operator delete。

placement new(): 一般来说,使用new申请空间时,是从系统的堆中分配空间,申请所得空间的位置根据当时内存实际使用情况决定。但是,在某些特殊情况下,可能需要在程序员指定的特定内存创建对象,这就是所谓的“定位放置new”(placement new)操作。placement new()是一个特殊的operator new(),因为其是operator new()函数的重载版本,只是取了个别名叫作placement new罢了。作用是在已经获得的堆空间上调用类构造函数来初始化对象,也就是定位构造对象。通常情况下,构造函数是由编译器自动调用的,但是不排除程序员手动调用的可能性,比如对一块未初始化的内存进行处理,获得想要的对象,这是需要求助于placement new()。placement new()是C++标准库的一部分,被申明在头文件<new>中,其函数原型是:

void* operator new(std::size_t, void* __p);

具体实现如下:

void* operator new(std::size_t, void* __p) throw()
{
    return __p;
}

注意: (1)placement new()的函数原型不是void* placement new(std::size_t, void* __p); (2)placement new只是operator new()的一个重载,多了一个已经申请好的空间,由void* __p指定; (3)用法是new (addr) constructor(),对addr指定的内存空间调用构造函数进行初始化。为何称为placement new,从其用法可以看出只是用于调用构造函数。

定位放置new操作的语法形式不同于普通的new操作。例如,一般都用如下语句A* p=new A;申请空间,而定位放置new操作则使用如下语句A* p=new (ptr) A;申请空间,其中ptr就是程序员指定的内存首地址。考察如下程序。

#include <iostream>
using namespace std;

class A{
    int num;
public:
    A(){
        cout<<"A's constructor"<<endl;
    }

    ~A(){
        cout<<"~A"<<endl;
    }
    void show(){
        cout<<"num:"<<num<<endl;
    }
};

int main(){
    char mem[100];
    mem[0]='A';
    mem[1]='\0';
    mem[2]='\0';
    mem[3]='\0';
    cout<<(void*)mem<<endl;
    A* p=new (mem) A;
    cout<<p<<endl;
    p->show();
    p->~A();
    getchar();
}

程序运行结果: 0024F924 A’s constructor 0024F924 num:65 ~A

阅读以上程序,注意以下几点。 (1)用定位放置new操作,既可以在栈(stack)上生成对象,也可以在堆(heap)上生成对象。如本例就是在栈上生成一个对象。

(2)使用语句A* p=new (mem) A;定位生成对象时,指针p和数组名mem指向同一片存储区。所以,与其说定位放置new操作是申请空间,还不如说是利用已经请好的空间,真正的申请空间的工作是在此之前完成的。

(3)使用语句A *p=new (mem) A;定位生成对象是,会自动调用类A的构造函数,但是由于对象的空间不会自动释放(对象实际上是借用别人的空间),所以必须显示的调用类的析构函数,如本例中的p->~A()。

(4)万不得已才使用placement new,只有当你真的在意对象在内存中的特定位置时才使用它。例如,你的硬件有一个内存映像的I/O记时器设备,并且你想放置一个Clock对象在哪那个位置。

总结: (1)若想在堆上建立一个对象,应该用new操作符。它既分配内存又调用其构造函数进行初始化。 (2)若仅仅想分配内存,应该调用operator new(),他不会调用构造函数。若想定制自己在堆对象被建立时的内存分配过程,应该重写自己的operator new()。 (3)若想在一块已经获得的内存空间上建立一个对象,应该用placement new。虽然在实际开发过程中,很少需要重写operator new(),使用内置的operator new()即可完成大部分程序所需的功能。但知道这些,有助于一个C++程序猿对C++内存的管理有个清楚的认识。

2.了解delete和operator delete()

为了避免内存泄漏,每个动态内存分配必须与一个等同相反的 deallocation 对应。数operator delete与delete操作符的关系与operator new与new操作符是一样的。delete用于使用使用new申请的空间,operator delete用于释放operator new申请的空间(类似于malloc与free),那谁来清理placement new初始化的内存内容呢?唯一办法就是调用对象的析构函数。

示例代码:

string* sp=new string(“hello world”);
delete sp;

第一行代码在上文已经剖析,那么当调用delete sp时,发生了什么?

delete sp等价于:

ps->~string(); //用于清理内存内容,对应placement new
operator delete(ps);//释放内存空间,对应于operator new()

其中operator delete()的函数原型为:

void operator delete(void *memoryToBeDeallocated);

参考文献: [1]Scott Meyers.More Effective C++(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2011.1. [2]zjdtc的博客-新浪博客.operator new在C++中的各种写法

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