new与malloc以及free store与heap|搬运理解与整理

Posted 2021-09-03 l1nkkk

• 自由存储区和堆

• placement-new、new operator、operator new

  • 区别
  • demo1:operator new/operator delete使用
• new 与 malloc

自由存储区和堆

• 参考：https://stackoverflow.com/que...
• 参考：https://www.quora.com/What-is...
• 参考：https://www.cnblogs.com/qg-wh...
• 参考：https://blog.csdn.net/nie1994...

• 两种动态内存区域。

  • heap

  • free store

    C++的内存布局

• 堆（malloc/free）、栈、自由存储区（new delete）、全局/静态存储区、常量存储区

free store 和 heap的区别（语言背景角度）

• malloc在堆上分配的内存块，使用 free 释放内存，而 new 所申请的内存则是在自由存储区上，使用 delete 来释放

  • 准确来说free store 对应的是 operator new
• free store 和 headp是不同内存区域吗（操作系统角度）

多角度讨论异同

• （编译器上）大部分C++编译器默认使用堆来实现自由存储。也就是说这个时候说它是在堆上还是在自由存储区上都对。

• （语言背景）堆是C或操作系统概念。自由存储区是C++抽象出来的逻辑概念。

  • C++提出该概念更加强调了这两种内存自由分配不应该被互操作，且C++使得内存自由分配更加灵活（placement-new）。
  • C++中使用 malloc 和 free 在技术上是可能的（偶尔有用），但这种做法应该避免或至少是孤立的。

• （程序角度）

  • free store：对象的生命周期 可以小于 分配存储空间的时间（即free store可以在不立即初始化的情况下分配内存，并且可以再不立即释放内存的情况下销毁对象）

  • heap：虽然默认的全局 new 和 delete （注：特指::operator new）可能由特定编译器根据 malloc 和 free 实现，但堆与空闲存储不同，并且在一个区域（heap or free store）中分配的内存不能在另一个区域中安全地释放。

    • 从堆(malloc出来的)中的内存可以用placement-new构造和显式析构，这样的话关于free store对象生存期的说明再这里也适用。

placement-new、new operator、operator new

• 参考：https://blog.51cto.com/yiluoh...
• *参考：https://www.cnblogs.com/luxia...

区别

• new operator/delete operator就是new和delete操作符，而operator new/operator delete是函数。（注：不是很准确，但是很帮助理解）

• new operator（操作符）

  • 作用：分配足够的空间（调用 operator new），并且调用对象的构造函数

  • 执行过程：

    • 调用operator new分配内存
    • 调用构造函数生成类对象
    • 返回相应指针
  • 重载：不可以被重载
  • 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

• operator new（函数）

  • 作用：分配内存，但不执行构造

  • 重载：可以重载。

    • 返回类型必须声明为void*
    • 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
    • 可以带其它参数
  • 特例：placement new就是`operator new的重载。不分配内存，而是利用已有内存
  • 全局：::operator new，通用操作，在heap中分配
  • 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，但是不能够交叉使用，因为一个对象是free store另一个是heap。

• placement-new

  • 作用：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

  • 重载：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）

    • 也就是不能重载覆盖
  • 签名：void *operator new( size_t, void * p ) throw() { return p; }
  • placement-new 执行时，忽略了size_t，该参数没有作用。只使用和返回void* p。

  • 使用场景：

    • buffer性能提高：直接new一个数组当缓冲区，会调用构造函数，影响性能。可以先预分配一块内存，之后用placement-new构造
    • 节省了堆中找足够大的空间 的时间。placement-new的内存分配是常数时间，因为已经分配好了。

  • 区分普通new:

    • Widget * p = new Widget; //ordinary new
    • pi = new (ptr) int; pi = new (ptr) int; //placement new

为什么有必要写自己的operator new和operator delete？

• 效率。具体看《Effective C++》中的第二章内存管理

Placement new使用步骤

• 步骤1：分配缓存空间，有三种方式

  1. 堆中获取

     • char * buff = new [N*sizeof(Task)]; //分配内存

  2. 栈上获取

     • char buf[N*sizeof(Task)]; //分配内存

  3. 直接用地址。（地址必须有有意义）

     • void* buf = reinterpret_cast<void*> (0xF00F);

• 步骤2：对象的构造

  • Task *ptask = new (buf) Task

• 步骤3：使用

  • ptask->memberfunction();

• 步骤4：对象的析构

  • ptask->~Task();
  • 必须显示调用析构

• 步骤5：释放缓存空间

  • 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）
  • delete [] buf;

---

• 如果你确实需要使用placement new，请认真遵循以上的步骤。

demo1:operator new/operator delete使用

#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;    // 4字节
};

int main()
{
    // 调用 new 操作符（注意不是operator new）,这里需要传入 即将调用operator new所需的第二个参数，size参数 new操作符会自己给
    X *px = new("A new class") X;
    delete px;
    return 0;
}

operator new size 4 with string A new class
constructor of X
destructor of X
operator delete

• 结果解析

  • X *px = new("A new class") X;中，调用的是 new 操作符（注意不是operator new）,这里需要传入 即将调用operator new所需的第二个参数，size参数 new操作符会自己给
  • delete px;（为delete operator）时，先调用析构函数，再调用operator delete

new 与 malloc

• https://www.cnblogs.com/qg-wh...

特征	new/delete	malloc/free
分配内存的位置	自由存储区	堆
内存分配成功的返回值	完整类型指针	void*
内存分配失败的返回值	默认抛出异常	返回NULL
分配内存的大小	由编译器根据类型计算得出	必须显式指定字节数
处理数组	有处理数组的new版本new[]	需要用户计算数组的大小后进行内存分配
已分配内存的扩充	无法直观地处理	使用realloc简单完成
是否相互调用	可以，看具体的operator new/delete实现	不可调用new
分配内存时内存不足	客户能够指定处理函数或重新制定分配器	无法通过用户代码进行处理
函数重载	允许	不允许
构造函数与析构函数	调用	不调用