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全面解析C++中的new,operator new與placement new

更新時間：2013年09月12日 09:59:34 作者：

以下是C++中的new,operator new與placement new進行了詳細的說明介紹，需要的朋友可以過來參考下

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

new operator
（1）調(diào)用operator new分配足夠的空間，并調(diào)用相關(guān)對象的構(gòu)造函數(shù)
（2）不可以被重載

operator new
（1）只分配所要求的空間，不調(diào)用相關(guān)對象的構(gòu)造函數(shù)。當無法滿足所要求分配的空間時，則
        ->如果有new_handler，則調(diào)用new_handler，否則
        ->如果沒要求不拋出異常（以nothrow參數(shù)表達），則執(zhí)行bad_alloc異常，否則
        ->返回0
（2）可以被重載
（3）重載時，返回類型必須聲明為void*
（4）重載時，第一個參數(shù)類型必須為表達要求分配空間的大小（字節(jié)），類型為size_t
（5）重載時，可以帶其它參數(shù)

delete 與 delete operator類似。

復(fù)制代碼代碼如下:

#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，它將調(diào)用類X中的operator new，為該類的對象分配空間，然后調(diào)用當前實例的構(gòu)造函數(shù)。
delete px; //該行代碼中的delete為delete operator，它將調(diào)用該實例的析構(gòu)函數(shù)，然后調(diào)用類X中的operator delete，以釋放該實例占用的空間。

new operator與delete operator的行為是不能夠也不應(yīng)該被改變，這是C++標準作出的承諾。而operator new與operator delete和C語言中的malloc與free對應(yīng)，只負責分配及釋放空間。但使用operator new分配的空間必須使用operator delete來釋放，而不能使用free，因為它們對內(nèi)存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以實現(xiàn)對內(nèi)存管理的不同要求，但你不能重載new operator或delete operator以改變它們的行為。

為什么有必要寫自己的operator new和operator delete？
答案通常是：為了效率。缺省的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。尤其在那些需要動態(tài)分配大量的但很小的對象的應(yīng)用程序里，情況更是如此。具體可參考《Effective C++》中的第二章內(nèi)存管理。

Placement new的含義
placement new 是重載operator new 的一個標準、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(zhí)行忽略了size_t參數(shù)，只返還第二個參數(shù)。其結(jié)果是允許用戶把一個對象放到一個特定的地方，達到調(diào)用構(gòu)造函數(shù)的效果。和其他普通的new不同的是，它在括號里多了另外一個參數(shù)。比如：

Widget * p = new Widget; //ordinary new
pi = new (ptr) int; pi = new (ptr) int; //placement new

括號里的參數(shù)ptr是一個指針，它指向一個內(nèi)存緩沖器，placement new將在這個緩沖器上分配一個對象。Placement new的返回值是這個被構(gòu)造對象的地址(比如括號中的傳遞參數(shù))。placement new主要適用于：在對時間要求非常高的應(yīng)用程序中，因為這些程序分配的時間是確定的；長時間運行而不被打斷的程序；以及執(zhí)行一個垃圾收集器 (garbage collector)。

new 、operator new 和 placement new 區(qū)別
（1）new ：不能被重載，其行為總是一致的。它先調(diào)用operator new分配內(nèi)存，然后調(diào)用構(gòu)造函數(shù)初始化那段內(nèi)存。

new 操作符的執(zhí)行過程：
1. 調(diào)用operator new分配內(nèi)存；
2. 調(diào)用構(gòu)造函數(shù)生成類對象；
3. 返回相應(yīng)指針。

（2）operator new：要實現(xiàn)不同的內(nèi)存分配行為，應(yīng)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，那么調(diào)用的就是全局的::operator new來完成堆的分配。同理，operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重載的。

（3）placement new：只是operator new重載的一個版本。它并不分配內(nèi)存，只是返回指向已經(jīng)分配好的某段內(nèi)存的一個指針。因此不能刪除它，但需要調(diào)用對象的析構(gòu)函數(shù)。

如果你想在已經(jīng)分配的內(nèi)存中創(chuàng)建一個對象，使用new時行不通的。也就是說placement new允許你在一個已經(jīng)分配好的內(nèi)存中（?；蛘叨阎校?gòu)造一個新的對象。原型中void* p實際上就是指向一個已經(jīng)分配好的內(nèi)存緩沖區(qū)的的首地址。

Placement new 存在的理由

1.用placement new 解決buffer的問題
問題描述：用new分配的數(shù)組緩沖時，由于調(diào)用了默認構(gòu)造函數(shù)，因此執(zhí)行效率上不佳。若沒有默認構(gòu)造函數(shù)則會發(fā)生編譯時錯誤。如果你想在預(yù)分配的內(nèi)存上創(chuàng)建對象，用缺省的new操作符是行不通的。要解決這個問題，你可以用placement new構(gòu)造。它允許你構(gòu)造一個新對象到預(yù)分配的內(nèi)存上。

2.增大時空效率的問題
使用new操作符分配內(nèi)存需要在堆中查找足夠大的剩余空間，顯然這個操作速度是很慢的，而且有可能出現(xiàn)無法分配內(nèi)存的異常（空間不夠）。placement new就可以解決這個問題。我們構(gòu)造對象都是在一個預(yù)先準備好了的內(nèi)存緩沖區(qū)中進行，不需要查找內(nèi)存，內(nèi)存分配的時間是常數(shù)；而且不會出現(xiàn)在程序運行中途出現(xiàn)內(nèi)存不足的異常。所以，placement new非常適合那些對時間要求比較高，長時間運行不希望被打斷的應(yīng)用程序。

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。這里提供了它的使用步驟。

第一步緩存提前分配

有三種方式：

1.為了保證通過placement new使用的緩存區(qū)的memory alignment(內(nèi)存隊列)正確準備，使用普通的new來分配它：在堆上進行分配
class Task ;
char * buff = new [sizeof(Task)]; //分配內(nèi)存
(請注意auto或者static內(nèi)存并非都正確地為每一個對象類型排列，所以，你將不能以placement new使用它們。)

2.在棧上進行分配
class Task ;
char buf[N*sizeof(Task)]; //分配內(nèi)存

3.還有一種方式，就是直接通過地址來使用。(必須是有意義的地址)
void* buf = reinterpret_cast<void*> (0xF00F);

第二步：對象的分配

在剛才已分配的緩存區(qū)調(diào)用placement new來構(gòu)造一個對象。
Task *ptask = new (buf) Task

第三步：使用

按照普通方式使用分配的對象：

ptask->memberfunction();

ptask-> member;

//...

第四步：對象的析構(gòu)

一旦你使用完這個對象，你必須調(diào)用它的析構(gòu)函數(shù)來毀滅它。按照下面的方式調(diào)用析構(gòu)函數(shù)：
ptask->~Task(); //調(diào)用外在的析構(gòu)函數(shù)

第五步：釋放

你可以反復(fù)利用緩存并給它分配一個新的對象（重復(fù)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(dǎo)致運行時間的崩潰，內(nèi)存泄露，以及其它的意想不到的情況。如果你確實需要使用placement new，請認真遵循以上的步驟。

復(fù)制代碼代碼如下:

#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;
}

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