C++中的newoperator new与placement new

Posted 2022-12-10 QQ51931373



C++中的new/delete与operator new/operator delete

new operator/delete operator就是new和delete操作符，而operator new/operator delete是函数。

new operator
（1）调用operator new分配足够的空间，并调用相关对象的构造函数
（2）不可以被重载

operator new
（1）只分配所要求的空间，不调用相关对象的构造函数。当无法满足所要求分配的空间时，则
        ->如果有new_handler，则调用new_handler，否则
        ->如果没要求不抛出异常（以nothrow参数表达），则执行bad_alloc异常，否则
        ->返回0
（2）可以被重载
（3）重载时，返回类型必须声明为void*
（4）重载时，第一个参数类型必须为表达要求分配空间的大小（字节），类型为size_t
（5）重载时，可以带其它参数

delete 与 delete operator类似

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class X

public:
    X()  cout<<"constructor of X"<<endl; 
    ~X()  cout<<"destructor of X"<<endl;

    void* operator new(size_t size,string str)
    
        cout<<"operator new size "<<size<<" with string "<<str<<endl;
        return ::operator new(size);
    

    void operator delete(void* pointee)
    
        cout<<"operator delete"<<endl;
        ::operator delete(pointee);
    
private:
    int num;
;

int main()

    X *px = new("A new class") X;
    delete px;

    return 0;

X* px = new X;  //该行代码中的new为new operator，它将调用类X中的operator new，为该类的对象分配空间，然后调用当前实例的构造函数。
delete px; //该行代码中的delete为delete operator，它将调用该实例的析构函数，然后调用类X中的operator delete，以释放该实例占用的空间。

new operator与delete operator的行为是不能够也不应该被改变，这是C++标准作出的承诺。而operator new与operator delete和C语言中的malloc与free对应，只负责分配及释放空间。但使用operator new分配的空间必须使用operator delete来释放，而不能使用free，因为它们对内存使用的登记方式不同。反过来亦是一样。你可以重载operator new和operator delete以实现对内存管理的不同要求，但你不能重载new operator或delete operator以改变它们的行为。

为什么有必要写自己的operator new和operator delete？
答案通常是：为了效率。缺省的operator new和operator delete具有非常好的通用性，它的这种灵活性也使得在某些特定的场合下，可以进一步改善它的性能。尤其在那些需要动态分配大量的但很小的对象的应用程序里，情况更是如此。具体可参考《Effective C++》中的第二章内存管理。

Placement new的含义

placement new 是重载operator new 的一个标准、全局的版本，它不能够被自定义的版本代替（不像普通版本的operator new和operator delete能够被替换）。

void *operator new( size_t, void * p ) throw() return p;

placement new的执行忽略了size_t参数，只返还第二个参数。其结果是允许用户把一个对象放到一个特定的地方，达到调用构造函数的效果。和其他普通的new不同的是，它在括号里多了另外一个参数。比如：

Widget * p = new Widget;                    //ordinary new

pi = new (ptr) int; pi = new (ptr) int;     //placement new

括号里的参数ptr是一个指针，它指向一个内存缓冲器，placement new将在这个缓冲器上分配一个对象。Placement new的返回值是这个被构造对象的地址(比如括号中的传递参数)。placement new主要适用于：在对时间要求非常高的应用程序中，因为这些程序分配的时间是确定的；长时间运行而不被打断的程序；以及执行一个垃圾收集器 (garbage collector)。

new 、operator new 和 placement new 区别

（1）new ：不能被重载，其行为总是一致的。它先调用operator new分配内存，然后调用构造函数初始化那段内存。

new 操作符的执行过程：
1. 调用operator new分配内存 ；
2. 调用构造函数生成类对象；
3. 返回相应指针。

（2）operator new：要实现不同的内存分配行为，应该重载operator new，而不是new。

operator new就像operator + 一样，是可以重载的。如果类中没有重载operator new，那么调用的就是全局的::operator new来完成堆的分配。同理，operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重载的。

（3）placement new：只是operator new重载的一个版本。它并不分配内存，只是返回指向已经分配好的某段内存的一个指针。因此不能删除它，但需要调用对象的析构函数。

如果你想在已经分配的内存中创建一个对象，使用new时行不通的。也就是说placement new允许你在一个已经分配好的内存中（栈或者堆中）构造一个新的对象。原型中void* p实际上就是指向一个已经分配好的内存缓冲区的的首地址。

Placement new 存在的理由

1.用placement new 解决buffer的问题

问题描述：用new分配的数组缓冲时，由于调用了默认构造函数，因此执行效率上不佳。若没有默认构造函数则会发生编译时错误。如果你想在预分配的内存上创建对象，用缺省的new操作符是行不通的。要解决这个问题，你可以用placement new构造。它允许你构造一个新对象到预分配的内存上。

2.增大时空效率的问题

使用new操作符分配内存需要在堆中查找足够大的剩余空间，显然这个操作速度是很慢的，而且有可能出现无法分配内存的异常（空间不够）。placement new就可以解决这个问题。我们构造对象都是在一个预先准备好了的内存缓冲区中进行，不需要查找内存，内存分配的时间是常数；而且不会出现在程序运行中途出现内存不足的异常。所以，placement new非常适合那些对时间要求比较高，长时间运行不希望被打断的应用程序。

Placement new使用步骤

在很多情况下，placement new的使用方法和其他普通的new有所不同。这里提供了它的使用步骤。

第一步  缓存提前分配

有三种方式：

1.为了保证通过placement new使用的缓存区的memory alignment(内存队列)正确准备，使用普通的new来分配它：在堆上进行分配
class Task ;
char * buff = new [sizeof(Task)]; //分配内存
(请注意auto或者static内存并非都正确地为每一个对象类型排列，所以，你将不能以placement new使用它们。)

2.在栈上进行分配
class Task ;
char buf[N*sizeof(Task)]; //分配内存

3.还有一种方式，就是直接通过地址来使用。(必须是有意义的地址)
void* buf = reinterpret_cast<void*> (0xF00F);

第二步：对象的分配

在刚才已分配的缓存区调用placement new来构造一个对象。
Task *ptask = new (buf) Task

第三步：使用

按照普通方式使用分配的对象：

ptask->memberfunction();

ptask-> member;

//...

第四步：对象的析构

一旦你使用完这个对象，你必须调用它的析构函数来毁灭它。按照下面的方式调用析构函数：
ptask->~Task(); //调用外在的析构函数

第五步：释放

你可以反复利用缓存并给它分配一个新的对象（重复步骤2，3，4）如果你不打算再次使用这个缓存，你可以象这样释放它：delete [] buf;

跳过任何步骤就可能导致运行时间的崩溃，内存泄露，以及其它的意想不到的情况。如果你确实需要使用placement new，请认真遵循以上的步骤。

#include <iostream>
using namespace std;

class X

public:
    X()  cout<<"constructor of X"<<endl; 
    ~X()  cout<<"destructor of X"<<endl;

    void SetNum(int n)
    
        num = n;
    

    int GetNum()
    
        return num;
    

private:
    int num;
;

int main()

    char* buf = new char[sizeof(X)];
    X *px = new(buf) X;
    px->SetNum(10);
    cout<<px->GetNum()<<endl;
    px->~X();
    delete []buf;

    return 0;

完结。

14.3.1 显式的析构调用
在某些程序情况下，有必要显示地对一个特殊类对象调用析构函数。这常常发生在和定
位new 操作符结合（placement operator new，见8.4 节讨论）的时候。让我们看一个例子，
当写：
char *arena = new char [ sizeof Image];
时，实际上我们已经分配了一个大小等于Image 型对象的新的堆存储区。相关联的内存
区没有被初始化，里面是上次使用之后的一段随机位序列。当我们写：
Image *ptr = new (arena) Image( “Quasimodo” )
时，没有新的内存被分配。相反，ptr 被赋值为与arena 相关联的地址，通过ptr，内存
被解释为一个Image 类对象。然而，虽然没有分配内存，但是构造函数被应用在现有的存储
区上。实际上，定位new 操作符允许我们在一个特定的、预分配的内存地址上构造一个类
对象。
当完成了Quasimodo 的图象（image）时，我们或许希望在由arena 指向的同一个内存
位置上操作一个Esmerelda 的图象（image）。一方面，我们知道怎样做：
Image *ptr = new (arena) Image( “Esmerelda” );
问题是，这样做覆盖了Quasimodo 的图像，我们已经修改了Quasimodo 的图像并希望
把它存储在磁盘上。一般我们通过Image 类的析构函数来做到这一点，但是如果应用操作符
delete
//不好：调用析构函数的同时也删除了存储区
delete ptr;
则除了调用析构函数，我们还删除了底层的堆存储区，这不是我们希望的。我们可以显
式地调用Image 的析构函数：
ptr -> ~ Image();
底层的存储区可以被后面的定位new 操作符调用继续使用。
尽管ptr 和arena 指向同一个堆存储区没有任何意义，但是，在arena 上应用delete 操作
符
//没有调用析构函数
delete arena;
不会导致调用Image 的析构函数，因为arena 的类型是char*。记住，只有当delete 表达
式中的指针指向一个带有析构函数的类类型时，编译器才会调用析构函数。