深入C基礎(chǔ)new運算符

1、深入c+基礎(chǔ)new運算符深入c+的newnew是c+的一個關(guān)鍵字，同時也是操作符關(guān)于new的話題非常多，因為它確實比較復(fù) 雜，也非常神秘，下面我將把我了解到的new有關(guān)的內(nèi)容做一個總結(jié)new的過程當(dāng)我們使用關(guān)鍵字new在堆上動態(tài)創(chuàng)建-個對象時，它實際上做了三件事：獲得一塊內(nèi) 存空間調(diào)用構(gòu)造函數(shù)返回止確的指針當(dāng)然，如果我們創(chuàng)建的是簡單類型的變量，那么第二 步會被省略假如我們定義了如下一個類a：class aiint i;public:a(int _i) : i (_i*_i) void say() printf("i=%dn", i); ；/調(diào)用new：a* pa 二 new

2、 a(3);那么上述動態(tài)創(chuàng)建一個對象的過程大致相當(dāng)于以下三句話(只是大致上)：雖然從效 果上看，這三句話也得到了一個有效的指向堆上的a對象的指針pa,但區(qū)別在于，當(dāng) malloc失敗吋，它不會調(diào)用分配內(nèi)存失敗處理程序new_handlor,而使用new的話會的因 此我們還是要盡可能的使川new,除非有一些特殊的需求new的三種形態(tài)至！i目前為止,本文所提到的new都是指的new operator或稱為new expression,但事 實上在c+中一提到new,至少川能代表以下三種含義：new operatoroperator newplacement newnew operator就是我們平

3、時所使用的new,其行為就是前而所說的三個步驟，我們不能 更改它但具體到某一步驟中的行為，如果它不滿足我們的具體要求時，我們是有對能更改 它的三個步驟中最后一步只是簡單-的做一個指針的類型轉(zhuǎn)換，沒什么可說的，并且在編譯 出的代碼屮也并不需要這種轉(zhuǎn)換，只是人為的認(rèn)識罷了但前兩步就有些內(nèi)容了 new operator的第一步分配內(nèi)存實際上是通過調(diào)用operator new來完成的，這里的new實際 上是像加減乘除一樣的操作符，因此也是可以重載的operator new默認(rèn)情況下首先調(diào)用 分配內(nèi)存的代碼，嘗試得到一段堆上的空間，如果成功就返回，如果失敗，則轉(zhuǎn)而去調(diào)用 一個new_hander,然后繼

4、續(xù)重復(fù)前面過程如果我們對這個過程不滿意，就可以重載 operator new,來設(shè)置我們希望的行為例如：class apublic:void* operator new(size_t size)!printf("operator new callednz/) ;return :operator new(size);；a* a = new a ();這里通過：:operator new調(diào)用了原有的全局的new,實現(xiàn)了在分配內(nèi)存z前輸出一句話 全局的operator new也是可以重載的，但這樣一來就不能再遞歸的使用new來分配內(nèi) 存，而只能使用malloc 了:void* operat

5、or new(size_t size)iprintf (''global newn");return malloc(size);；相應(yīng)的，delete也有delete operator和operator delete z分，后者也是可以重載的 并且,如果重載了 operator new,就應(yīng)該也相應(yīng)的重載operator delete,這是良好的編 程習(xí)慣now的第三種形態(tài)placement new是用來實現(xiàn)定位構(gòu)造的，因此對以實現(xiàn)nowoperator三步操作中的第二步，也就是在取得了一塊對以容納指定類型對象的內(nèi)存后， 在這塊內(nèi)存上構(gòu)造一個對彖，這有點類似于前面代碼

6、屮的p->a:a(3);這句話，但這并不 是一個標(biāo)準(zhǔn)的寫法，正確的寫法是使用placement new：#include <new. h>void main ()char ssizeof(a);a* p = (a*)s;new(p) a(3) ; /p->a:a(3);p->say ();對頭文件或<new. h>的引用是必須的，這樣才口j以使川placement new這里new(p) a(3)這種奇怪的寫法便是placement nev 了，它實現(xiàn)了在指定內(nèi)存地址上用指定類型的構(gòu) 造函數(shù)來構(gòu)造一個對象的功能，后面a(3)就是対構(gòu)造函數(shù)的顯式調(diào)用這里

7、不難發(fā)現(xiàn)，這塊 指定的地址既可以是棧，又可以是堆，placement對此不加區(qū)分但是，除非特別必要，不 要直接使用placement now ,這畢竟不足用來構(gòu)造對象的正式寫法，只不過是new operator的一個步驟而已使用new operator地編譯器會口動牛:成對placement new的調(diào) 用的代碼，因此也會相應(yīng)的生成使用delete時調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的代碼如果是像上而那樣在 棧上使用了 placement new,則必須手工調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，這也是顯式調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的唯一 情況：p->a();當(dāng)我們覺得默認(rèn)的new operator對內(nèi)存的管理不能滿足我們的需要，而希望自己手工 的

8、管理內(nèi)存時,placement new就有用了 stl中的allocator就使用了這種方式,借助 placement new來實現(xiàn)更靈活有效的內(nèi)存管理處理內(nèi)存分配異常正如前而所說，operator new的默認(rèn)行為是請求分配內(nèi)存，如果成功則返回此內(nèi)存地 址，如果失敗則調(diào)用一個new handler,然后再重復(fù)此過程于是，想要從operator new的 執(zhí)行過程中返冋，則必然需要滿足下列條件z：于是，我們可以假設(shè)默認(rèn)情況下operator now的行為是這樣的：void* operator new(size_t size)void* p = nullwhile (!(p = malloc (

9、size)if (null = new_handler)throw bad_alloc();trynew_handler ();catch(bad alloc e)!throw e;cat ch()return p;在默認(rèn)情況下，new_handler的行為是拋出一個bad.alloc異常，因此上述循環(huán)只會執(zhí) 行一次但如果我們不希望使用默認(rèn)行為，可以口定義一個new_handler,并使用std: :set_new_handler兩數(shù)使其生效在自定義的new_handler中，我們可以拋出異常， 町以結(jié)束程序，也町以運行一些代碼使得有可能有內(nèi)存被空閑出來，從而下一次分配時也 許會成功，也可以通

10、過set_new_handler來安裝另一個可能史有效的new handler例如： void mynewhandler()!printf(new handler called!n);throw std:bad alloc();std:set_new_handler(mynewiiandler);這里new_handler程序在拋出異常z前會輸出一句話應(yīng)該注意，在new_handler的代碼 里應(yīng)該注意避免再嵌套冇new的調(diào)用，因為如果這里調(diào)用new再失敗的話，可能會再導(dǎo) 致對new_handler的調(diào)用，從而導(dǎo)致無限遞歸調(diào)用這是我猜的，并沒有嘗試過在編程吋我 們應(yīng)該注總到對new的調(diào)用是有可

11、能有異常被拋出的，因此在new的代碼周圍應(yīng)該注意保 持具事務(wù)性，即不能因為調(diào)川new失敗拋出異常來導(dǎo)致不正確的程序邏輯或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的出 現(xiàn)例如：class someclassstatic int count;someclass () public:static someclass* getnewinstance()count+;retum new someclass ();；靜態(tài)變量count用于記錄此類型生成的實例的個數(shù)，在上述代碼中，如果因new分配內(nèi) 存失敗而拋岀異常，那么具實例個數(shù)并沒有增加，但count變量的值卻已經(jīng)多了一個，從 而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被破壞正確的寫法是：static somecl

12、ass* getnew instance()someclass* p 二 new someclass();count+;return p;這樣一來，如果new失敗則直接拋出異常，count的值不會增加類似的，在處理線程同 步時，也要注意類似的問題：void somefunc()lock(somemutex) ; /加一個鎖delete p;p = new someclass();unlock (somemutex);stl的內(nèi)存分配與traits技巧在stl原碼剖析一書中詳細(xì)分析了 sgi stl的內(nèi)存分配器的行為與直接使川new operator不同的是，sgi stl并不依賴c+默認(rèn)的內(nèi)存

13、分配方式，而是使用一套自行實現(xiàn) 的方案首先sgi stl將可用內(nèi)存整塊的分配，使z成為當(dāng)前進程可用的內(nèi)存，當(dāng)程序中確 實需要分配內(nèi)存時，先從這些已請求好的人內(nèi)存塊中嘗試取得內(nèi)存，如果失敗的話再嘗試 整塊的分配大內(nèi)存這種做法有效的避免了大量內(nèi)存碎片的出現(xiàn)，提高了內(nèi)存管理效率為了實現(xiàn)這種方式，stl使川了 placement new,通過在自己管理的內(nèi)存空間上使用 placement new來構(gòu)造對象，以達到原冇new operator所具冇的功能template <class tl, class t2>inline void construct (tl* p, const t2&am

14、p; value)此函數(shù)接收-個u構(gòu)造的對象，通過拷貝構(gòu)造的方式在給定的內(nèi)存地址p上構(gòu)造一個新 對象，代碼中后半截t1 (value)便是placement new語法中調(diào)用構(gòu)造函數(shù)的寫法，如果傳 入的對象value止是所要求的類型t1,那么這里就相當(dāng)于調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)類似的，兇使 用了 placement new,編譯器不會自動產(chǎn)生調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的代碼，需要手工的實現(xiàn)： template <class t>inline void destory(t* pointer)與此同時，stl中還有一個接收兩個迭代器的destory版本，可將某容器上指定范圍內(nèi) 的對象全部銷毀典型的實現(xiàn)方式就

15、是通過一個循環(huán)來對此范i韋i內(nèi)的對象逐一調(diào)用析構(gòu)函數(shù) 如果所傳入的對象是非簡單類型，這樣做是必要的，但如果傳入的是簡單類型，或者根本 沒有必要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的口定義類型(例如只包含數(shù)個int成員的結(jié)構(gòu)體)，那么再逐一 調(diào)用析構(gòu)函數(shù)是沒有必要的，也浪費了時間為此，stl使用了一種稱為type traits的技 巧，在編譯器就判斷出所傳入的類型是否需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)：template <class forward!terator>inline void destory(forwarditerator first, forwarditerator last)_destory (first,

16、last, value_type(first);其中value_type()用于取出迭代器所指向的對彖的類型信息，于是：template<class forwarditerator, class t>inline void _destory(forwarditerator first, forwarditerator last, t*)typedef typename _type_traits<t>:has_trivial_destructor trivial_destructor; destory_aux(first, last, trivial destructor

17、();/如果需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)：template<class forwardlterator>in1ine void _destory aux (forwardlterator first, forwarditerator last, _false_type) for(; first < last; +first)destory(&*first) ; /因first是迭代器，*first取出其真正內(nèi)容，然后再用&収地址/如果不需要，就什么也不做:tempaite<class forwardlterator>inline void _destory_a

18、ux(forwarditerator first, forwarditerator last, true_type) 因上述函數(shù)全都是inline的，所以多層的函數(shù)調(diào)用并不會對性能造成影響，最終編譯 的結(jié)杲根據(jù)具體的類型就只是一個for循環(huán)或者什么都沒有這里的關(guān)鍵在于_type_traits<t>這個模板類上，它根據(jù)不同的t類型左義岀不同的 has_trivial_destructor的結(jié)果，如果t是簡單-類型，就定義為true_type類型，否則 就定義為false_type類型其屮true_typefalse_type只不過是兩個沒有任何內(nèi)容的 類，對程序的執(zhí)行結(jié)果沒有什么意義

19、，但在編譯器看棗它對模板如何特化就具有非常重要 的指導(dǎo)意義了，正如上而代碼所示的那樣_type_traits<t>也是特化了的一系列模板類：struct _true_ type ;struct _false_type );tempi ate <cl ass t>struct _type_traitspublic:typedef _false _type has_trivial_destructor;templateo /模板特化struct _type_traits<int> /int 的特化版本public:typedef _true_type has_t

20、rivial_destructor;/具他簡單類型的特化版木如果要把一個自定義的類型myclass也定義為不調(diào)川析構(gòu)函數(shù)，只需要相應(yīng)的定義 type_traits<t>的一個特化版本即可：templateostruct _type_traits<myclass>public:typedef _true_type has_trivial_destructor;；模板是比較高級的c+編程技巧，模板特化模板偏特化就更是技巧性很強的東西，stl 中的type_traits充分借助模板特化的功能，實現(xiàn)了在程序編譯期通過編譯器來決定為每 一處調(diào)用後用哪個特化版本，于是在不增加編程復(fù)

21、雜性的前提下大大提高了程序的運行效 率更詳細(xì)的內(nèi)容可參考stl源碼剖析第二三章中的相關(guān)內(nèi)容帶有的new和delete我們經(jīng)常會通過new來動態(tài)創(chuàng)建一個數(shù)組，例如：嚴(yán)格的說，上述代碼是不正確的，因為我們在分配內(nèi)存時使用的是new,而并不是簡 單的new,但帑放內(nèi)存時卻用的是delete正確的寫法是使用deleted :deleted s;但是，上述錯誤的代碼似乎也能編譯執(zhí)行，并不會帶來什么錯謀事實上，new與 ne譏jdelete -與delete是冇區(qū)別的，特別是當(dāng)用來操作復(fù)雜類型時假如針対一個我們口 定義的類myclass使用new:myclass* p 二 new myclass10;上述

22、代碼的結(jié)杲是在堆上分配了 10個連續(xù)的myclass實例，并且已經(jīng)対它們依次調(diào)用 了構(gòu)造函數(shù)，于是我們得到了 10個可用的對象，這一點與javac#有區(qū)別的，javac#中這 樣的結(jié)果只是得到了 10個null換句話說，使用這種寫法時myclass必須擁有不帶參數(shù)的 構(gòu)造函數(shù)，否則會發(fā)現(xiàn)編譯期錯誤，因為編譯器無法調(diào)用有參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)當(dāng)這樣構(gòu)造成功后，我們可以再將其釋放，釋放時使川delete】：delete p;當(dāng)我們對動態(tài)分配的數(shù)組調(diào)川delete時，其行為根據(jù)所屮請的變量類型會有所不同如 果p指向簡單類型,如intchar等,其結(jié)果只不過是這塊內(nèi)存被回收，此時使用delete 與delet

23、e沒有區(qū)別,但如果p指向的是復(fù)雜類型,deleted會針對動態(tài)分配得到的每個 對象調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，然后再釋放內(nèi)存因此，如果我們對上述分配得到的p指針直接使用 delete來回收，雖然編譯期不報什么錯誤(因為編譯器根本看不岀來這個指針p是如何分 配的)，但在運行時(debug情況下)會給出一個debug assertio n failed提示到這里，我們很容易提出一個問題delete是如何知道要為多少個對象調(diào)用析構(gòu)函數(shù) 的？要冋答這個問題，我們可以首先看一看ne譏的重載class myclassiint a;public:myclass() printf("ctorn"); &

24、quot;myclass () printf (z，dtorn，z) ; ；void* operator new(size_t size)!void* p 二 operator new(size);printf ("calling new with size=%d address=%pn，z, size, p);return p;/主函數(shù)myclass* me = new myclass3;printf (''address of mc=%pnz/, me);deleted me;運行此段代碼，得到的結(jié)果為：(vc2005)ctorctorctordtordtordt

25、or雖然對構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用結(jié)果都在預(yù)料之中，但所中請的內(nèi)存空間大小以及地 址的數(shù)值卻出現(xiàn)了問題我們的類myclass的大小顯然是4個字節(jié)，并冃申請的數(shù)組中有3 個元素，那么應(yīng)該一共申請12個字節(jié)才對，但事實上系統(tǒng)卻為我們申請了 16字節(jié)，并且 在operator new返后我們得到的內(nèi)存地址是實際川請得到的內(nèi)存地址值加4的結(jié)果也就 是說，當(dāng)為復(fù)朵類型動態(tài)分配數(shù)組吋，系統(tǒng)自動在最終得到的內(nèi)存地址前空出了4個字 節(jié)，我們冇理由相信這4個字節(jié)的內(nèi)容-與動態(tài)分配數(shù)組的長度冇關(guān)通過單步跟蹤，很容易 發(fā)現(xiàn)這4個字節(jié)對應(yīng)的int值為0x00000003，也就是說記錄的是我們分配的對象的個數(shù)改 變一下

26、分配的個數(shù)然后再次觀察的結(jié)果證實了我的想法于是，我們也有理由認(rèn)為ne譏 operator的行為和當(dāng)于下面的偽代碼：templato <class t>t* new(int count)int size = sizeof(t) * count + 4; void* p = t:operator ncw (size); *(int*)p = count;t* pt = (t*)(int)p + 4);for(int i 二 0; i count; i+) new(&pti) t();return pt;上述示意性的代碼省略了杲常處理的部分，只是展示當(dāng)我們對一個復(fù)雜類型使用new

27、 來動態(tài)分配數(shù)組時其真正的行為是什么，從中可以看到它分配了比預(yù)期多4個字節(jié)的內(nèi)存 并用它來保存對象的個數(shù)，然后對于后而每一塊空間使用placement new來調(diào)用無參構(gòu)造函數(shù)，這也就解釋了為什么這種情況下類必須有無參構(gòu)造函數(shù)，最后再將首地址返冋類似 的，我們很容易寫出相應(yīng)的delete的實現(xiàn)代碼：template <class t>void delete(t* pt)!int count = (int*)pt)t;for(int i = 0; i count; i+)pt i t ();void* p = (void*) (int)pt 4);t:operator delete(

28、p);由此可見,在默認(rèn)情況下operator new與operator new的行為是相同的,operator delete operator delete 也是，不同的是 new operator new operatordelete operator delote operator當(dāng)然，我們可以根據(jù)不同的需耍來選擇重載帶冇和不帶冇 的operator new和delete,以滿足不同的具體需求把前面類myclass的代碼稍做修改注釋掉析構(gòu)函數(shù)，然后再來看看程序的輸hh calling new with size=12 address=003a5a58ctorctorctoraddress

29、of mc=003a5a58這一次,new老老實實的申請了 12個字節(jié)的內(nèi)存，并且申請的結(jié)果與new operator 返回的結(jié)果也是相同的，看來，是否在前面添加4個字節(jié)，只取決于這個類有沒有析構(gòu)函 數(shù)，當(dāng)然，這么說并不確切，正確的說法是這個類是否需要調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，因為如下兩種 情況下雖然這個類沒聲明析構(gòu)函數(shù)，但還是多巾請了4個字節(jié)：一是這個類中擁冇需耍調(diào) 用析構(gòu)函數(shù)的成員，二是這個類繼承自需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的類于是，我們町以遞歸的定義 需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的類為以下三種情況之一：1顯式的聲明了析構(gòu)函數(shù)的2擁有需要調(diào)川析構(gòu)函數(shù)的類的成員的3繼承自需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的類的類似的，動態(tài)審請簡單類型的數(shù)組時

30、，也不會多申請4個字節(jié)于是在這兩種情況下，w 放內(nèi)存時使m delete或delete都可以，但為養(yǎng)成良好的習(xí)慣，我們還是應(yīng)該注意只要 是動態(tài)分配的數(shù)組，禪放時就使用delete：釋放內(nèi)存吋如何知道長度但這同時又帶來了新問題，既然巾請無需調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的類或簡單類型的數(shù)組時并沒冇 記錄個數(shù)信息，那么operator delete,或更直接的說free()是如何來回收這塊內(nèi)存的 呢？這就要研究malloco返冋的內(nèi)存的結(jié)構(gòu)了與ne譏類似的是，實際上在ma hoc ()申請 內(nèi)存時也多申請了數(shù)個字節(jié)的內(nèi)容，只不過這與所審請的變量的類型沒有任何關(guān)系，我們 從調(diào)用malloc時所傳入的參數(shù)也對以理解這一點它只接收了要申請的內(nèi)存的長度，并不 關(guān)系這塊內(nèi)存用來保存什么類型下面運行這樣一段代碼做個實驗：char *p = 0;for(int i = 0; i < 40; i += 4)char* s = new chari;printf (，zalloc %2d bytes, address=%p distance=%dn", i, s,