C++內(nèi)存管理operator new和placement new

>>> 背景

最近在看一些C++資料的過程中，說到在初始化列表中使用關(guān)鍵字new來分配新內(nèi)存不是異常安全的，應(yīng)該使用運算符new。這里就引發(fā)了我對C++ new的全新認識。

class A {
public:
    A(int a) : px(new int(a)) {}  // 當然這里基礎(chǔ)類是不會異常的
    int* px;
};

>>> 內(nèi)容

首先我們來回憶一下最常規(guī)的new用法。首先創(chuàng)建一個測試類A，并在其構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)里面打印提示語句?？梢园l(fā)現(xiàn)，在new一個A對象的時候調(diào)用了構(gòu)造函數(shù)，在delete一個A對象的時候析構(gòu)了此對象。而且與C標準庫中的malloc函數(shù)相比，new關(guān)鍵字不需要知道分配的字節(jié)數(shù)，而是對類型大小做了自動推斷，顯然更加方便。

class A {
public:
    A(int a) : _a(a) {
        cout < < "object A(" < < _a < < ") is constructed.n";
    }
    ~A() {
        cout < < "object A(" < < _a < < ") is destructed.n";
    }
    int _a;
};


int main() {
    A* obj = new A(1);
    delete obj;


    return 0;
}

object A(1) is constructed.
object A(1) is destructed.

但是方便的代價就是隱藏了很多細節(jié)，從而可能導(dǎo)致使用者在沒有充分理解的情況下造成誤用。其實關(guān)鍵字new做了非常多的操作。

這里首先給出3個概念，分別是：關(guān)鍵字new、操作符new和放置new（或者說，keywords new、operator new、placement new）。它們之間的關(guān)系大概如下所示。

當我們使用關(guān)鍵字new去創(chuàng)建一個對象時，會首先根據(jù)A類型推斷出需要申請的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，然后再交給operator new去按字節(jié)數(shù)申請一塊可用的內(nèi)存（否則拋出異常），最后調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)造一個對象保存在申請的這段內(nèi)存中。

而placement new起到的作用是在分配好的內(nèi)存上創(chuàng)建對象，和operator new有那么一點互補的意思。placement new的引入是為了避免一些頻繁的內(nèi)存申請和回收操作，可以專門申請一塊內(nèi)存做重復(fù)的計算，而不是需要一個對象就申請一個內(nèi)存，從而提高效率。

下面是一個比較綜合的例子，來表現(xiàn)這些new之間不同?？梢钥吹?，我們首先通過operator new來創(chuàng)建一塊能夠容納3個A對象的內(nèi)存空間，然后通過placement new來在這個申請好的內(nèi)存空間上創(chuàng)建對象，最后使用operator delete把申請的空間銷毀。

可以看到operator new不會調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，operator delete也不會調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。通過placement new配合起始指針的偏移，可以逐個在新內(nèi)存上創(chuàng)建有意義的數(shù)據(jù)對象。

int main() {
    A* mempool = (A*)operator new(sizeof(A) * 3);
    cout < < "Memory is allocated!n";
    A* obj1 = new(mempool) A(1);
    A* obj2 = new(mempool + 1) A(2);
    A* obj3 = new(mempool + 2) A(3);
    cout < < obj1- >_a < < endl;
    cout < < obj2- >_a < < endl;
    cout < < obj3- >_a < < endl;
    operator delete(mempool);
    cout < < obj1- >_a < < endl;
    cout < < obj2- >_a < < endl;
    cout < < obj3- >_a < < endl;


    return 0;
}

Memory is allocated!
object A(1) is constructed.
object A(2) is constructed.
object A(3) is constructed.
1
2
3
35134640
0
1448320

>>> 小結(jié)

可以看出，C++在內(nèi)存分配引入了不少的概念，operator new和operator delete都是可以被自定義類重載的，這就給予了程序員很好的自由度。除了使用new和delete來管理內(nèi)存外，C++還引入了更為復(fù)雜的allocator（或分配器）的概念。