C++中過載new和delete的使用

fengbingchun發表於2018-01-06
C++delete

某些應用程式對記憶體分配有特殊的需求，因此我們無法將標準記憶體管理機制直接應用於這些程式。它們常常需要自定義記憶體分配的細節，比如使用關鍵字new將物件放置在特定的記憶體空間中。為了實現這一目的，應用程式需要過載new運算子和delete運算子以控制記憶體分配的過程。

        儘管能夠”過載new和delete”，但是實際上過載這兩個運算子與過載其它運算子的過程大不相同。要想真正掌握過載new和delete的方法，首先要對new表示式和delete表示式的工作機理有更多的瞭解。

        當我們使用一條new表示式時：

string* sp = new string("a value"); // 分配並初始化一個string物件
string* arr = new string[10]; // 分配10個預設初始化的string物件
實際執行了三個步驟：第一步，new表示式呼叫一個名為operator new(或者operator new[])的標準庫函式。該函式分配一個足夠大的、原始的、未命名的記憶體空間以便儲存特定型別的物件(或者物件的陣列)。第二步，編譯器執行相應的建構函式以構造這些物件，併為其傳入初始值。第三步，物件被分配了空間並構造完成，返回一個指向該物件的指標。

        當我們使用一條delete表示式刪除一個動態分配的物件時：

delete sp; // 銷燬*sp,然後釋放sp指向的記憶體空間
delete[] arr; // 銷燬陣列中的元素，然後釋放對應的記憶體空間
實際執行了兩步操作：第一步，對sp所指的物件或者arr所指的陣列中的元素執行對應的解構函式。第二步，編譯器呼叫名為operator delete(或者operator delete [])的標準庫函式釋放記憶體空間。

        如果應用程式希望控制記憶體分配的過程，則它們需要定義自己的operator new函式和operator delete函式。即使在標準庫中已經存在這兩個函式的定義，我們仍舊可以定義自己的版本。編譯器不會對這種重複的定義提出異議，相反，編譯器將使用我們自定義的版本替換標準庫定義的版本。

        當定義了全域性operator new函式和operator delete函式後，我們就擔負起了控制動態記憶體分配的職責。這兩個函式必須是正確的：因為它們是程式整個處理過程中至關重要的一部分。

        應用程式可以在全域性作用域中定義operator new函式和operator delete函式，也可以將它們定義為成員函式。當編譯器發現一條new表示式或delete表示式後，將在程式中查詢可供呼叫的operator函式。如果被分配(釋放)的物件是類型別，則編譯器首先在類及其基類的作用域中查詢。此時如果該類含有operator new成員或operator delete成員，則相應的表示式將呼叫這些成員。否則，編譯器在全域性作用域查詢匹配的函式。此時如果編譯器找到了使用者自定義的版本，則使用該版本執行new表示式或delete表示式；如果沒找到，則使用標準庫定義的版本。

        我們可以使用作用域運算子令new表示式或delete表示式忽略定義在類中的函式，直接執行全域性作用域中的版本。例如，::new只在全域性作用域中查詢匹配的operator new函式，::delete與之類似。

        標準庫定義了operatornew函式和operator delete函式的8個過載版本。其中前4個版本可能丟擲bad_alloc異常，後4個版本則不會丟擲異常：

        //這些版本可能丟擲異常

void* operator new(size_t); // 分配一個物件
void* operator new[] (size_t); // 分配一個陣列
void* operator delete(void*) noexcept; // 釋放一個物件
void* operator delete[] (void*) noexcept; //釋放一個陣列
//這些版本承諾不會丟擲異常

void* operator new(size_t, nothrow_t&) noexcept;
void* operator new[](size_t, nothrow_t&) noexcept;
void* operator delete(void*, nothrow_t&) noexcept;
void* operator delete[] (void*, nothrow_t&) noexcept;
型別nothrow_t是定義在new標頭檔案中的一個struct，在這個型別中不包含任何成員。new標頭檔案還定義了一個名為nothrow的const物件，使用者可以通過這個物件請求new的非丟擲版本。與解構函式類似，operator delete也不允許丟擲異常。當我們過載這些運算子時，必須使用noexcept異常說明符指定其不丟擲異常。

        應用程式可以自定義上面函式版本中的任意一個，前提是自定義的版本必須位於全域性作用域或者類作用域中。當我們將上述運算子函式定義成類的成員時，它們是隱式靜態的。我們無需顯示地宣告static，當然這麼做也不會引發錯誤。因為operator new用在物件構造之前而operator delete用在物件銷燬之後，所以這兩個成員(new和delete)必須是靜態的，而且它們不能操作類的任何資料成員。

        對於operator new函式或者operator new[]函式來說，它的返回型別必須是void*,第一個形參的型別必須是size_t且該形參不能含有預設實參。當我們為一個物件分配空間時使用operator new；為一個陣列分配空間時使用operator new[]。當編譯器呼叫operator new時，把儲存指定型別物件所需的位元組數傳給size_t形參；當呼叫operator new[]時，傳入函式的則是儲存陣列中所有元素所需的空間。

        如果我們想要定義operator new函式，則可以為它提供額外的形參。此時，用到這些自定義函式的new表示式必須使用new的定位形式將實參傳給新增的形參。儘管在一般情況下我們可以自定義具有任何形參的operator new，但是下面這個函式卻無論如何不能被使用者過載：

void* operator new(size_t, void*); // 不允許重新定義這個版本

這種形式只供標準庫使用，不能被使用者重新定義。

        對於operator delete函式或者operator delete[]函式來說，它們的返回型別必須是void，第一個形參的型別必須是void*。執行一條delete表示式將呼叫相應的operator函式，並用指向待釋放記憶體的指標來初始化void*形參。

        當我們將operator delete或operator delete[]定義成類的成員時，該函式可以包含另外一個型別為size_t的形參。此時，該形參的初始值是第一個形參所指物件的位元組數。size_t形參可用於刪除繼承體系中的物件。如果基類有一個虛解構函式，則傳遞給operator delete的位元組數將因待刪除指標所指物件的動態型別不同而有所區別。而且，實際執行的operator delete函式版本也由物件的動態型別決定。

        new表示式與operator new函式：標準庫函式operator new和operator delete的名字容易讓人誤解。和其它operator函式不同(比如operator =)，這兩個函式並沒有過載new表示式或delete表示式。實際上，我們根本無法自定義new表示式或delete表示式的行為。一條new表示式的執行過程總是先呼叫operator new函式以獲取記憶體空間，然後在得到的記憶體空間中構造物件。與之相反，一條delete表示式的執行過程總是先銷燬物件，然後呼叫operator delete函式釋放物件所佔的空間。我們提供新的operator new函式和operator delete函式的目的在於改變記憶體分配的方式，但是不管怎樣，我們都不能改變new運算子和delete運算子的基本含義。

        malloc函式與free函式：malloc函式接受一個表示待分配位元組數的size_t，返回指向分配空間的指標或者返回0以表示分配失敗。free函式接受一個void*，它是malloc返回的指標的副本，free將相關記憶體返回給系統。呼叫free(0)沒有任何意義。

        定位new表示式：儘管operator new函式和operator delete函式一般用於new表示式，然而它們畢竟是標準庫的兩個普通函式，因此普通的程式碼也可以直接呼叫它們。在C++的早期版本中，allocator類還不是標準庫的一部分。應用程式如果想把記憶體分配與初始化分離開來的話，需要呼叫operator new和operator delete。這兩個函式的行為與allocator的allocate成員和deallocate成員非常類似，它們負責分配或釋放記憶體空間，但是不會構造或銷燬物件。

        與allocator不同的是，對於operator new分配的記憶體空間來說我們無法使用construct函式構造物件。相反，我們應該使用new的定位new (placement new)形式構造物件。如我們所知，new的這種形式為分配函式提供了額外的資訊。我們可以使用定位new傳遞一個地址，此時定位new的形式如下所示：

new(place_address) type
new(place_address) type (initializers)
new(place_address) type [size]
new(place_address) type [size] { braced initializer list }
其中place_address必須是一個指標，同時在initializers中提供一個(可能為空的)以逗號分隔的初始值列表，該初始值列表將用於構造新分配的物件。

        當僅通過一個地址值呼叫時，定位new使用operator new(size_t, void*)”分配”它的記憶體。這是一個我們無法自定義的operator new版本。該函式不分配任何記憶體，它只是簡單地返回指標實參；然後由new表示式負責在指定的地址初始化物件以完成整個工作。事實上，定位new允許我們在一個特定的、預先分配的記憶體地址上構造物件。當只傳入一個指標型別的實參時，定位new表示式構造物件但是不分配記憶體。

        儘管在很多時候使用定位new與allocator的construct成員非常相似，但在它們之間也有一個重要的區別。我們傳給construct的指標必須指向同一個allocator物件分配的空間，但是傳給定位new的指標無需指向operator new分配的記憶體。實際上傳給定位new表示式的指標甚至不需要指向動態記憶體。

        顯示的解構函式呼叫：就像定位new與使用allocate類似一樣，對解構函式的顯示呼叫也與使用destroy很類似。我們既可以通過物件呼叫解構函式，也可以通過物件的指標或引用呼叫解構函式，這與呼叫其它成員函式沒什麼區別：

string* sp = new string("a value"); // 分配並初始化一個string物件
sp->~string()
在這裡我們直接呼叫了一個解構函式。箭頭運算子解引用指標sp以獲得sp所指的物件，然後我們呼叫解構函式，解構函式的形式是波浪線(~)加上型別的名字。和呼叫destroy類似，呼叫解構函式可以清除給定的物件但是不會釋放該物件所在的空間。如果需要的話，我們可以重新使用該空。呼叫解構函式會銷燬物件，但是不會釋放記憶體。

        The new and delete operators can also be overloaded like other operators in C++. New and Delete operators can be overloaded globally or they can be overloaded for specific classes.

If these operators are overloaded using member function for a class, it means that these operators are overloaded only for that specific class.

If overloading is done outside a class (i.e. it is not a member function of a class), the overloaded ‘new’ and ‘delete’ will be called anytime you make use of these operators (within classes or outside classes). This is global overloading.

以上內容主要摘自：《C++Primer(Fifth Edition 中文版)》第19.1章節

關於其它operator函式的使用可以參考： http://blog.csdn.net/fengbingchun/article/details/51292506

下面是從其他文章中copy的測試程式碼，詳細內容介紹可以參考對應的reference：

#include "operator_new.hpp"
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <string>

namespace operator_new_ {
////////////////////////////////////////////////////////////////
// reference: http://zh.cppreference.com/w/cpp/memory/new/operator_new
class New1 {
public:
	New1() = default;

	void* operator new(std::size_t sz){
		std::printf("global op new called, size = %zu\n", sz);
		return std::malloc(sz);
	}

	void operator delete(void* ptr) /*noexcept*/
	{
		std::puts("global op delete called");
		std::free(ptr);
	}
};

struct New2 {
	static void* operator new(std::size_t sz)
	{
		std::cout << "custom new for size " << sz << '\n';
		return ::operator new(sz);
	}

	static void* operator new[](std::size_t sz)
	{
		std::cout << "custom new for size " << sz << '\n';
		return ::operator new(sz);
	}

	static void operator delete(void* ptr, std::size_t sz)
	{
		std::cout << "custom delete for size " << sz << '\n';
		::operator delete(ptr);
	}

	static void operator delete[](void* ptr, std::size_t sz)
	{
		std::cout << "custom delete for size " << sz << '\n';
		::operator delete(ptr);
	}
};

struct New3 {
	New3() { throw std::runtime_error(""); }

	static void* operator new(std::size_t sz, bool b){
		std::cout << "custom placement new called, b = " << b << '\n';
		return ::operator new(sz);
	}

	static void operator delete(void* ptr, bool b)
	{
		std::cout << "custom placement delete called, b = " << b << '\n';
		::operator delete(ptr);
	}
};

int test_operator_new_1()
{
	New1* new1 = new New1;
	delete new1;

	New2* p1 = new New2;
	delete p1;
	New2* p2 = new New2[10];
	delete[] p2;

	try {
		New3* p1 = new (true) New3;
	} catch (const std::exception&) {}



	return 0;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////
// https://www.geeksforgeeks.org/overloading-new-delete-operator-c/
class student
{
	std::string name;
	int age;
public:
	student()
	{
		std::cout << "Constructor is called\n";
	}

	student(std::string name, int age)
	{
		std::cout << "Constructor params is called\n";
		this->name = name;
		this->age = age;
	}

	void display()
	{
		std::cout << "Name:" << name << std::endl;
		std::cout << "Age:" << age << std::endl;
	}

	void * operator new(size_t size)
	{
		std::cout << "Overloading new operator with size: " << size << std::endl;
		void * p = ::new student();
		//void * p = malloc(size); will also work fine

		return p;
	}

	void operator delete(void * p)
	{
		std::cout << "Overloading delete operator " << std::endl;
		free(p);
	}
};

int test_operator_new_2()
{
	student * p = new student("Yash", 24);

	p->display();
	delete p;

	return 0;
}

////////////////////////////////////////////////////////////////
// reference: http://thispointer.com/overloading-new-and-delete-operators-at-global-and-class-level/
class Dummy
{
public:
	Dummy()
	{
		std::cout << "Dummy :: Constructor" << std::endl;
	}

	~Dummy()
	{
		std::cout << "Dummy :: Destructor" << std::endl;
	}

	// Overloading CLass specific new operator
	static void* operator new(size_t sz)
	{
		void* m = malloc(sz);
		std::cout << "Dummy :: Operator new" << std::endl;
		return m;
	}

	// Overloading CLass specific delete operator
	static void operator delete(void* m)
	{
		std::cout << "Dummy :: Operator delete" << std::endl;
		free(m);
	}
};

int test_operator_new_3()
{
	Dummy * dummyPtr = new Dummy;
	delete dummyPtr;

	return 0;
}

//////////////////////////////////////////////////////////////
// reference: https://msdn.microsoft.com/en-us/library/kftdy56f.aspx
class Blanks
{
public:
	Blanks() { std::cout << "Constructor " << std::endl; }
	void* operator new(size_t stAllocateBlock, char chInit);
};

void* Blanks::operator new(size_t stAllocateBlock, char chInit)
{
	std::cout << "size:" << stAllocateBlock << ",chInit:" << chInit << "end" << std::endl;
	void *pvTemp = malloc(stAllocateBlock);
	if (pvTemp != 0)
		memset(pvTemp, chInit, stAllocateBlock);
	return pvTemp;
}

int test_operator_new_4()
{
	Blanks *a5 = new(0xa5) Blanks;
	std::cout << (a5 != 0) << std::endl;

	return 0;
}

////////////////////////////////////////////////////////////
// reference: http://www.interviewsansar.com/2015/07/15/write-syntax-to-overload-new-and-delete-operator-in-a-class/
class CustomMemory {
private:
	int i; // size of int is 4 byte
public:
	CustomMemory(){
		std::cout << "Constructor" << "\n";
	}
	~CustomMemory(){
		std::cout << "Destructor" << "\n";
	}

	//Overloaded new
	void* operator new(size_t objectSize)
	{
		std::cout << "Custom memory allocation" << "\n";
		//Write allocation algorithm here
		return malloc(objectSize);

	}

	//Overloaded 2 arguments new operator
	void* operator new(size_t objectSize, int x)
	{
		std::cout << "Custom 2 argument memory allocation" << "\n";
		CustomMemory *ptr = (CustomMemory*)malloc(objectSize);
		ptr->i = x;

		return ptr;
	}

	//Overloaded delete
	void operator delete(void* ptr)
	{
		std::cout << "Custom memory de- allocation" << "\n";
		free(ptr);
	}

	void Display()
	{
		std::cout << "Value of i =" << i << "\n";
	}
};

int test_operator_new_5()
{
	CustomMemory* obj = new CustomMemory(); // call overloaded new from the class delete obj;
	delete obj; // call overloaded delete

	//overloaded 2 argument new
	CustomMemory * ptr = new(5)CustomMemory();
	ptr->Display();
	delete ptr;

	return 0;
}

} // namespace operator_new_

GitHub：  https://github.com/fengbingchun/Messy_Test

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