C++内存管理(new operator/operator new/operator delete/placement new)

new operator

我们平时使用的new是new操作符(new operator),就像sizeof一样是语言内置的,不能改变它的含义,功能也是一样的

比如:

string *ps = new string("Memory Management");

相当于

void *memory = operator new(sizeof(string)); // 得到未经处理的内存,为String对象 
call string::string("Memory Management") on *memory; // 调构造函数将字符串放到内存 
string *ps = static_cast<string*>(memory); // 使ps指针指向新的对象

new操作符总是做两件事:

1.调用相应的operator new分配内存

2.调用相应的构造函数

如下代码:

class T{  
    public:  
    T(){  
        cout << "构造函数。" << endl;  
    }  

    ~T(){  
        cout << "析构函数。" << endl;  
    }  

    void * operator new(size_t sz){  

        T * t = (T*)malloc(sizeof(T));  //operator new就是简单的分配内存即可
        cout << "内存分配。" << endl;  
        return t;  
    }  

    void operator delete(void *p){  
        free(p);  
        cout << "内存释放。" << endl;  
        return;
    }  
};  

int main()  
{  
    T * t = new T(); // 先内存分配 ,再构造函数  
    delete t; // 先析构函数, 再内存释放  
    return 0;  
} 
运行结果

operator new

重载new操作符,你可以改变怎样为对象分配内存。new操作符调用一个函数来完成必需的内存分配,你可以重写或重载这个函数来改变它的行为。new操作符为分配内存所调用函数的名字是operator new。

重载的new操作符

void * operator new(size_t sz)
{
    void* pm=malloc(sz);
    return pm;
}

返回类型是个void*类型的指针,未初始化的内存,你可以写一种operator new函数,在返回一个指针之前可以初始化内存以存储一些数值,可是一般不这么做。你还能添加额外的參数重载函数operator new,可是第一个參数类型必须是size_t。new可自己计算类型的大小对应类型的指针。

一般不会直接调用operator new,但是有时候还会用到,比如在STL中:

Test *pt2=(Test*)::operator new(sizeof(Test));
::operator delete(pt2);

返回一个指针,指向足够容纳一个Test类型的对象的内存。operator new仅仅分配内存。和构造函数无关。把operator new 返回的未经处理的指针传递给一个对象是new操作符的工作。

比如:

string *ps = new string("Memory Management");

相当于

void *memory = operator new(sizeof(string)); // 得到未经处理的内存,为String对象 
call string::string("Memory Management") on *memory; // 调构造函数将字符串放到内存 
string *ps = static_cast<string*>(memory); // 使ps指针指向新的对象

operate delete

delete 是先调用析构函数,再调用operator delete,释放空间,可以从上面运行结果可以看出。

可以自己重载delete

void operator delete(void *p)
{
    free(p);
}

operator new

重载new[]操作符

void* operator new[](size_t sz)
{
    void *pm=malloc(sz);
    return pm;
}

operator new 和operator new功能都是仅仅分配内存,operator new是给new用的,operator new[]是给new[]用的,new[]实际上比new多分配了四字节用于存储对象的数量

而这多的四个字节已经作为参数加到调用void* operator new;的size里了,也就是说当调用 A* ap = new A5;时,内部还调用了 operator new;作用就是申请了5*size(A) + 4字节的内存。new[]会对数组的每个调用对象的构造函数初始化。同样new[]可自己计算类型的大小对应类型的指针。

多出来的4个字节,相当于cookie,用来记录申请了多大,到时候调用delete[]释放时就可以知道释放多大空间。

operator delete

重载delete[]操作符

void operator delete[](void *p)
{
    free(p);
}

在operator new[]需要给定大小,但是delete[]不需要给定大小,就算给了大小,也没有意义,是无效的,释放时候是读取上面说到的cookie中的信息来释放的。

placement new

new分为两步走,先分配内存,后调用构造函数。那么,可不可以保持一块内存,反复构造析构?这样可以省略中间的多次分配内存。由于申请内存会有大量的系统开销。C++标准也是这么想的,所以他们提供了placement new,定位new。

int *p=(int*)malloc(sizeof(int)*10);
new(p)int(10);

表示将10放在p的空间的第一位。

void * operator new(size_t, void *location) 
{  
    return location; 
}

它也是new操作符的一个使用方法,须要使用一个额外的变量(buffer)。当new操作符隐含调用operator new函数时。把这个变量传递给它。被调用的operator new函数除了带有强制的參数size_t外,还必须接受void*指针參数。指向构造对象占用的内存空间。

如果要将一个元素放在其他下标位置中,可以重载new

void* operator new(size_t sz,void *ptr,int pos)    //第1个参数必须但不需要传递,由new自动计算的,第2个参数传递void*指针,第3个参数传递位置
{
    return &ptr[pos];
}

new(p,3)int(10);    //将10放在下标为3的空间中

关于new的内部实现机制

我们都知道new分为两步完成,但是new是怎样完成这两步的呢? 

开始我以为是在new内部封装了一个两个函数,一个用来分配内存,另一个用来调用相应的构造函数。

但事实上并非如此,根本就没有一个“隐藏”的new函数,编译器会自动将new改写成一个内存分配函数,一个构造函数。 

这里其实还有一个更本质的问题需要说明:new的本质是关键字,编译器操作关键字的内幕可能与我们的想象大不相同。能够重载的是函数,是运算符,关键字是不能重载的,这也是为什么运算符重载前面必须要有operator的原因。+(int a),new(int a)都是错的。 

简而言之,new在编译器的操作下会变成两部分代码,一部分分配内存,一部分调用构造函数。

这其实是可以做实验验证的: 

就在上述代码中加入new T并打上断点,再F10一步一步地调试,发现先进入类中的operator new,执行完后并没有到new T的下一行,而是依然停留在new这一行,继续F10进入构造函数。就是说new T这一行代码停留了两次。这意味着编译器确实将new T这一行代码翻译成了两次函数调用。

第二种验证方式就是直接使用反汇编查看代码(推荐): 

  可以看到的确有两个call,第一个call T::operator new( )。第二个call T::T( )。注意:真正的汇编中没有具体的函数名,只有相应的地址。显示函数名是VS的一个比较便利的功能。

  可以看到的确有两个call,第一个call T::operator new( )。第二个call T::T( )。注意:真正的汇编中没有具体的函数名,只有相应的地址。显示函数名是VS的一个比较便利的功能。

::new与new

  在全局命名空间中有一个自带的、隐藏的operator new专门用来分配内存。默认情况下编译器会将new这个关键字翻译成这个operator new和相应的构造函数。

  但在有的情况下,用户自己会在类中重载operator new,这种情况下,编译器默认会使用类中重载的operator new(本质上因为编译器会从命名空间由内而外查找自己想要的函数,选用第一个)。

  如果我们想要继续使用默认的operator new,就应该写成::new 字面意思就是调用最外层命名空间中的operator new

 值得一提的是最外层的(也是默认的)operator new也是可以被重载的。通过这种方式我们可以改变所有new的部分行为。

总结

C++中是通过new和delete操作符进行动态内存管理的。

用一张图说明new和delete的含义:

new和delete以及malloc和free一样,要成对使用。

这是string *s = new string("a value");这句表达式内部的实现:

可以得出:

(初始化一个对象时)new内部的调用顺序:new —— operator new —— malloc —— 构造函数 (先申请空间,再调用构造函数)

(初始化若干个对象时)new内部的调用顺序:new —— operator new [] —— malloc —— 构造函数(先申请数组所有成员的空间大小+4,调用数组中每个对象构造函数)

(delete单个对象时)delete对象时,调用顺序为:delete —— 析构函数 —— operator delete —— free (先调用析构函数,再释放空间)

(delete多个对象时)delete对象时,调用顺序为:delete [] —— 析构函数 —— operator delete[] —— free(先调用数组中每个对象的析构函数,再释放整个数组的空间,空间信息就在多申请的4个字节中)

new/delete与malloc/free二者的差别

1.它们都是动态管理内存的入口。

2.malloc/free是C/C++标准库的函数,new/delete是C++操作符。

3.malloc/free只是动态分配内存空间/释放空间。而new/delete除了分配空间还会调用构造析构函数进行初始化与清理(清理成员)。

4.malloc/free需要手动计算类型大小且返回值为void*,new/delete可自己计算类型的大小对应类型的指针。

5.new/delete的底层调用了malloc/free。

6.malloc/free申请空间后得判空,new/delete则不需要。

7.new直接跟类型,malloc跟字节数个数。

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