C++ 内存管理（一）primitives 基础工具

最新推荐文章于 2025-02-08 14:27:15 发布

SimonxxSun

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分类专栏：内存管理文章标签： Cpp 内存管理

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本文深入探讨C++中四种基础内存管理工具的使用，包括new、::operatornew()、malloc的关系，及delete、free的区别。讲解了arraynew、arraydelete的底层实现，并介绍了placementnew的特殊用途。同时，文章详细解析了如何重载全局和类方法的operatornew/delete，以及设计类内存管理分配器的四步法，最后提到了newhandler在内存管理中的作用。

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一、四种基础工具的使用

1.1 四种工具的介绍

1.1.1 new、::operator new()、malloc 三者之间的关系

1.1.2 delete、free

1.1.3 array new、array delete

1.1.4 placement new

1.2 实现内存管理工具的重载

1.2.1 重载全局版本 ::operator new / ::operator delete

1.2.2 重载类方法 operator new / operator delete

1.2.3 重载大于一个参数时的 operator new() / delete()

1.3 类的内存管理（分配器设计）

第一步：per_class allocator

第二步：嵌入式指针

第三步：static allocator

第四步：宏定义实现

1.4 内存管理的小工具 new handler

1.4.1 new handler 的概念

1.4.2 new handler 的使用

一、四种基础工具的使用

::operator new() 与 ::operator delete() 作为C++函数，其用法与 new 和 delete 基本相同，其底层实现是调用了 malloc 和 free 。
分配器 allocator<int> ().allocate(n) ()表示生成临时对象，其 deallocate 需要标注释放对象的大小，对用户直接使用很不友好，所以一般不直接使用 allocator。

1.1 四种工具的介绍

1.1.1 new、::operator new()、malloc 三者之间的关系

new 操作实际包含 分配适当大小内存、指针类型转换、调用构造函数 三个步骤：
分配内存通过 new —> 调用 operator new() —> 调用 malloc() 实现，sizeof() 指定类的分配大小。

1.1.2 delete、free

delete 实际操作包括 调用析构函数、释放内存 两个步骤：

析构函数是可以通过 new 指令得到的指针调用的 pc->~Complex();

释放内存操作通过 operator delete() （—>调用 free()）实现。

1.1.3 array new、array delete

底层还是调用 malloc 和 free 。
使用 array new 会使分配的内存带上一个小小的 cookie 信息，主要存储申请的内存块大小（delete[] 时才会知道要释放到少内存）等信息。
如果使用了 array new 时，析构却忘了加上 []，本身 new 申请的连续内存部分因为 cookies 的存在会被正常释放。当所创建的类对象中有指针成员时，由于没有正常调用到所有成员的析构函数，所以指针指向的内存部分不会被正常释放，从而造成内存泄露。

由于不能直接使用 new 语句得到的指针去调用构造函数，但是可以使用 placement new 方法：new(tmp++) A(i) 调用构造函数设初值。

61h 是记录大小的 cookie，说明本次申请的内存大小为 60h，最后一 bit 设为 1 表示状态为 on 。
pad 是 malloc 内存对齐 16bytes 所要求的。

1.1.4 placement new

placement new 允许我们将 object 构建于一块已经分配好的内存中。 Complex* pc = new(buf) Complex(1,2) 中 buf 是指向一块已经分配好空间的内存的指针，在所指的地方调用构造函数生成对象。
没有所谓的 placement delete，因为 placement new 根本没有分配内存。

1.2 实现内存管理工具的重载

从何处入手去实现重载？

由于 new 表达式的调用轨迹是通过 new —> 调用 ::operator new() —> 调用 malloc() 实现的。由于重载全局的 ::operater new 影响太大，所以考虑通过重载类方法 Foo::operator new 来接管并更改内存分配的途径。

自己编写 Foo::operator new 方法。实现内存池分成小块管理，去除 cookie 冗余，最后还是会调用 malloc 实现内存分配。

1.2.1 重载全局版本 ::operator new / ::operator delete

callnewh() 方法实现当内存分配失败时，由自定义的方法回收一部分内存，再去做重新分配，直到分配成功为止。

1.2.2 重载类方法 operator new / operator delete

operator new 函数重载必须是 static，因为使用 new 来创建一个对象之前对象是不存在的，所以无法通过它来调用这个函数。

若使用 Foo* p = ::new Foo(7)；则会选择全局版本的 new，绕过上述所有重载版本的函数。

1.2.3 重载大于一个参数时的 operator new() / delete()

使用默认 Foo* pf = new Foo；即 operator new 时，Foo 的大小作为默认第一参数传给了 new， 其他有第二或者多参数的重载都是对 operator new() 的重载，同样也不用写第一参数 size_t 的值。

1.3 类的内存管理（分配器设计）

第一步：per_class allocator

提升速度，降低 malloc 的调用次数(其实影响不大)：在多次使用 new 来分配内存时，每次都会调用 malloc，造成一些负担。所以考虑，能否先申请一大块内存，将其分成一个个小块备用，避免每次都调用 malloc 的问题。
节省空间，降低 cookie 的用量：每次 malloc 的内存块上下都会有 cookie，而提前申请一大块内存的话，每个小块的上下都没有 cookie ，整个申请的内存池上下只存在两个 cookie 。