C++ new表达式、operator new和placement new

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Overview

C++中new关键字和delete关键字我们肯定都使用过，它们是对堆中的内存进行申请和释放的操作，这两个操作是不能被重载的。有的同学可能会被问到，如何实现自定义内存分配行为。搞懂这个问题之前，我们需要先了解new表达式、operator new和placement new之间的关系。

本系列文章将包括以下领域：

• 编程语言
• 数据结构与算法
• 操作系统
• 网络
• 数据库
• 编译原理
• 分布式架构
• 软件工程
• 应用技术

本章其他内容请见 《现代C++》

new和operator new

我们通常使用关键字new的方式如下：

1Foo* p = new Foo();

这是一个new表达式，实际上等价于以下代码：

1Foo* p;
2void* raw = operator new(sizeof(Foo)); //operator new
3
4try {
5    p = new(raw) Foo(); //placement new
6} catch(...) {
7    operator delete(raw);
8    throw;
9}

new表达式实际上分为3步执行：

1. 调用一个名为operator new的标准库函数，该函数从内存堆上分配一个足够大的、原始的、未命名的内存空间。若成功则返回该段内存地址，若失败则调用一个new_handler，然后继续前面的过程。

2. 调用一个placement new构造对象，并为其传入初始值。

3. 对象被分配了空间并构造完成，返回一个指向该对象的指针。

事实上，operator new是允许重载的，如果在类中重载了operator new，则调用的是void* Foo::operator new(size_t size)；如果没有重载，则调用的是全局的void* ::operator new(size_t size)。

重载operator new时可以添加新的参数：

1class Test {
2public:
3    //重载时可以增加额外参数
4    void* operator new(size_t size, std::string param) {
5        std::cout << "Call override operator new with param " << param << std::endl;
6        return ::operator new(size);
7    }
8};

operator new有一个特殊的版本不可以被重载，即后面我们要提到的placement new。

重载全局的::operator new比较少见，一旦重载，所有new的行为将被改变，内部就只能使用malloc来分配内存了：

1void* operator new(size_t size) {
2    //...
3    return malloc(size);
4}

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

C++标准库定义了以下8个版本的operator new和operator delete，其中前4个可能抛出bad_alloc异常，而后4个版本不会抛出异常：

 1//以下版本可能抛出异常
 2void* operator new(size_t);
 3void* operator new[](size_t);
 4void* operator delete(void*) noexcept;
 5void* operator new[](void*) noexcept;
 6
 7//以下版本不会抛出异常
 8void* operator new(size_t, nothrow_t&) noexcept;
 9void* operator new[](size_t, nothrow_t&) noexcept;
10void* operator delete(void*, nothrow_t&) noexcept;
11void* operator new[](void*, nothrow_t&) noexcept;

尽管new表达式和delete表达式默认都会调用operator new和operator delete，但是它们都是标准库函数，普通代码也是可以直接调用的。

new和::new

默认情况下编译器会将关键字new翻译成全局::operator new和相应的构造函数。

当operator new在类中被重载，而有些地方又想使用默认的operator new，就应该写成::new，即调用全局的::operator new。

new和placement new

placement new允许我们在一个特定的、已分配好的内存空间上直接构造对象，且这块内存空间可以暂存，反复用来构造对象，节省new时大量的系统调用开销。

placement new的调用原型如下：

1new (place_addr) T;
2new (place_addr) T(initializer);
3new (place_addr) T[size];
4new (place_addr) T[size] {initializer list}

其中place_addr必须是一个指针，同时initializer中提供了一个以逗号分隔的初始值列表，该初始值列表用于构造新分配的对象。

其实，placement new本质上只是operator new的一个特殊重载版本：

1void* operator new(size_t, void* p) throw() { return p; }

可以看到，placement new的执行忽略了size_t参数，只返回第二个参数，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。我们来看一个具体例子：

 1char* ptr = new char[sizeof(T)]; //分配内存
 2
 3T* t = new(ptr) T; //placement new构造对象
 4
 5t->~T(); //析构对象t，注意此时不释放内存；使用placement new构造的对象，只能手动调用析构函数
 6
 7T* t2 = new(ptr) T; //复用内存，placement new构造新对象
 8
 9t2->~T(); //析构对象t2，注意此时不释放内存
10
11delete[] ptr; //真正释放内存
12

总之，利用placement new可以对一块内存进行反复构造，这样节省了中间多次请求分配内存带来的开销。