C++中的new、operator new與placement new

作者： 阿凡盧 出處： http://www.cnblogs.com/luxiaoxun/

C++中的new/delete與operator new/operator delete

new operator/delete operator就是new和delete操作符，而operator new/operator delete是函數。

new operator

（1）調用operator new配置設定足夠的空間，并調用相關對象的構造函數

（2）不可以被重載

operator new

（1）隻配置設定所要求的空間，不調用相關對象的構造函數。當無法滿足所要求配置設定的空間時，則

        ->如果有new_handler，則調用new_handler，否則

        ->如果沒要求不抛出異常（以nothrow參數表達），則執行bad_alloc異常，否則

        ->傳回0

（2）可以被重載

（3）重載時，傳回類型必須聲明為void*

（4）重載時，第一個參數類型必須為表達要求配置設定空間的大小（位元組），類型為size_t

（5）重載時，可以帶其它參數

delete 與 delete operator類似

#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;
};
int main()
{
    X *px = new("A new class") X;
    delete px;

    return 0;
}
           

X* px = new X;  //該行代碼中的new為new operator，它将調用類X中的operator new，為該類的對象配置設定空間，然後調用目前執行個體的構造函數。

delete px; //該行代碼中的delete為delete operator，它将調用該執行個體的析構函數，然後調用類X中的operator delete，以釋放該執行個體占用的空間。

new operator與delete operator的行為是不能夠也不應該被改變，這是C++标準作出的承諾。而operator new與operator delete和C語言中的malloc與free對應，隻負責配置設定及釋放空間。但使用operator new配置設定的空間必須使用operator delete來釋放，而不能使用free，因為它們對記憶體使用的登記方式不同。反過來亦是一樣。你可以重載operator new和operator delete以實作對記憶體管理的不同要求，但你不能重載new operator或delete operator以改變它們的行為。

為什麼有必要寫自己的operator new和operator delete？

答案通常是：為了效率。預設的operator new和operator delete具有非常好的通用性，它的這種靈活性也使得在某些特定的場合下，可以進一步改善它的性能。尤其在那些需要動态配置設定大量的但很小的對象的應用程式裡，情況更是如此。具體可參考《Effective C++》中的第二章記憶體管理。

Placement new的含義

placement new 是重載operator new 的一個标準、全局的版本，它不能夠被自定義的版本代替（不像普通版本的operator new和operator delete能夠被替換）。

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

placement new的執行忽略了size_t參數，隻返還第二個參數。其結果是允許使用者把一個對象放到一個特定的地方，達到調用構造函數的效果。和其他普通的new不同的是，它在括号裡多了另外一個參數。比如：

Widget * p = new Widget;                    //ordinary new

pi = new (ptr) int; pi = new (ptr) int;     //placement new

括号裡的參數ptr是一個指針，它指向一個記憶體緩沖器，placement new将在這個緩沖器上配置設定一個對象。Placement new的傳回值是這個被構造對象的位址(比如括号中的傳遞參數)。placement new主要适用于：在對時間要求非常高的應用程式中，因為這些程式配置設定的時間是确定的；長時間運作而不被打斷的程式；以及執行一個垃圾收集器 (garbage collector)。

new 、operator new 和 placement new 差別

（1）new ：不能被重載，其行為總是一緻的。它先調用operator new配置設定記憶體，然後調用構造函數初始化那段記憶體。

new 操作符的執行過程：

1. 調用operator new配置設定記憶體 ；

2. 調用構造函數生成類對象；

3. 傳回相應指針。

（2）operator new：要實作不同的記憶體配置設定行為，應該重載operator new，而不是new。

operator new就像operator + 一樣，是可以重載的。如果類中沒有重載operator new，那麼調用的就是全局的::operator new來完成堆的配置設定。同理，operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重載的。

（3）placement new：隻是operator new重載的一個版本。它并不配置設定記憶體，隻是傳回指向已經配置設定好的某段記憶體的一個指針。是以不能删除它，但需要調用對象的析構函數。

如果你想在已經配置設定的記憶體中建立一個對象，使用new時行不通的。也就是說placement new允許你在一個已經配置設定好的記憶體中（棧或者堆中）構造一個新的對象。原型中void* p實際上就是指向一個已經配置設定好的記憶體緩沖區的的首位址。

Placement new 存在的理由

1.用placement new 解決buffer的問題

問題描述：用new配置設定的數組緩沖時，由于調用了預設構造函數，是以執行效率上不佳。若沒有預設構造函數則會發生編譯時錯誤。如果你想在預配置設定的記憶體上建立對象，用預設的new操作符是行不通的。要解決這個問題，你可以用placement new構造。它允許你構造一個新對象到預配置設定的記憶體上。

2.增大時空效率的問題

使用new操作符配置設定記憶體需要在堆中查找足夠大的剩餘空間，顯然這個操作速度是很慢的，而且有可能出現無法配置設定記憶體的異常（空間不夠）。placement new就可以解決這個問題。我們構造對象都是在一個預先準備好了的記憶體緩沖區中進行，不需要查找記憶體，記憶體配置設定的時間是常數；而且不會出現在程式運作中途出現記憶體不足的異常。是以，placement new非常适合那些對時間要求比較高，長時間運作不希望被打斷的應用程式。

Placement new使用步驟

在很多情況下，placement new的使用方法和其他普通的new有所不同。這裡提供了它的使用步驟。

第一步  緩存提前配置設定

有三種方式：

1.為了保證通過placement new使用的緩存區的memory alignment(記憶體隊列)正确準備，使用普通的new來配置設定它：在堆上進行配置設定

class Task ;

char * buff = new [sizeof(Task)]; //配置設定記憶體

(請注意auto或者static記憶體并非都正确地為每一個對象類型排列，是以，你将不能以placement new使用它們。)

2.在棧上進行配置設定

class Task ;

char buf[N*sizeof(Task)]; //配置設定記憶體

3.還有一種方式，就是直接通過位址來使用。(必須是有意義的位址)

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

第二步：對象的配置設定

在剛才已配置設定的緩存區調用placement new來構造一個對象。

Task *ptask = new (buf) Task

第三步：使用

按照普通方式使用配置設定的對象：

ptask->memberfunction();

ptask-> member;

//...

第四步：對象的析構

一旦你使用完這個對象，你必須調用它的析構函數來毀滅它。按照下面的方式調用析構函數：

ptask->~Task(); //調用外在的析構函數

第五步：釋放

你可以反複利用緩存并給它配置設定一個新的對象（重複步驟2，3，4）如果你不打算再次使用這個緩存，你可以象這樣釋放它：delete [] buf;

跳過任何步驟就可能導緻運作時間的崩潰，記憶體洩露，以及其它的意想不到的情況。如果你确實需要使用placement new，請認真遵循以上的步驟。

#include <iostream>
using namespace std;

class X
{
public:
    X() { cout<<"constructor of X"<<endl; }
    ~X() { cout<<"destructor of X"<<endl;}

    void SetNum(int n)
    {
        num = n;
    }

    int GetNum()
    {
        return num;
    }

private:
    int num;
};

int main()
{
    char* buf = new char[sizeof(X)];
    X *px = new(buf) X;
    px->SetNum(10);
    cout<<px->GetNum()<<endl;
    px->~X();
    delete []buf;

    return 0;
}