Effective C++ 2e Item8

条款8. 写operator new和operator delete时要遵循常规

自己重写operator new时(条款10解释了为什么有时要重写它)，很重要的一点是函数提供的行为要和系统缺省的operator new一致。实际做起来也就是：要有正确的返回值；可用内存不够时要调用出错处理函数(见条款7)；处理好0字节内存请求的情况。此外，还要避免不小心隐藏了标准形式的new，不过这是条款9的话题。

有关返回值的部分很简单。如果内存分配请求成功，就返回指向内存的指针；如果失败，则遵循条款7的规定抛出一个std::bad_alloc类型的异常。

但事情也不是那么简单。因为operator new实际上会不只一次地尝试着去分配内存，它要在每次失败后调用出错处理函数，还期望出错处理函数能想办法释放别处的内存。只有在指向出错处理函数的指针为空的情况下，operator new才抛出异常。

另外，C++标准要求，即使在请求分配0字节内存时，operator new也要返回一个合法指针。(实际上，这个听起来怪怪的要求确实给C++语言其它地方带来了简便)

这样，非类成员形式的operator new的伪代码看起来会象下面这样：
void * operator new(size_t size)        // operator new还可能有其它参数
{                                      

  if (size == 0) {                      // 处理0字节请求时，
    size = 1;                           // 把它当作1个字节请求来处理
  }                                    
  while (1) {
    分配size字节内存;

    if (分配成功)
      return (指向内存的指针);

    // 分配不成功，找出当前出错处理函数
    new_handler globalHandler = set_new_handler(0);
    set_new_handler(globalHandler);

    if (globalHandler) (*globalHandler)();
    else throw std::bad_alloc();
  }
}

处理零字节请求的技巧在于把它作为请求一个字节来处理。这看起来也很怪，但简单，合法，有效。而且，你又会多久遇到一次零字节请求的情况呢？

你又会奇怪上面的伪代码中为什么把出错处理函数置为0后又立即恢复。这是因为没有办法可以直接得到出错处理函数的指针，所以必须通过调用set_new_handler来找到。办法很笨但也有效。

条款7提到operator new内部包含一个无限循环，上面的代码清楚地说明了这一点——while (1)将导致无限循环。跳出循环的唯一办法是内存分配成功或出错处理函数完成了条款7所描述的事件中的一种：得到了更多的可用内存；安装了一个新的new-handler(出错处理函数)；卸除了new-handler；抛出了一个std::bad_alloc或其派生类型的异常；或者返回失败。现在明白了为什么new-handler必须做这些工作中的一件。如果不做，operator new里面的循环就不会结束。

很多人没有认识到的一点是operator new经常会被子类继承。这会导致某些复杂性。上面的伪代码中，函数会去分配size字节的内存(除非size为0)。size很重要，因为它是传递给函数的参数。但是大多数针对类所写的operator new(包括条款10中的那种)都是只为特定的类设计的，不是为所有的类，也不是为它所有的子类设计的。这意味着，对于一个类X的operator new来说，函数内部的行为在涉及到对象的大小时，都是精确的sizeof(X)：不会大也不会小。但由于存在继承，基类中的operator new可能会被调用去为一个子类对象分配内存：
class Base {
public:
  static void * operator new(size_t size);
  ...
};

class Derived: public Base       // Derived类没有声明operator new
{ ... };                         //

Derived *p = new Derived;        // 调用Base::operator new

如果Base类的operator new不想费功夫专门去处理这种情况——这种情况出现的可能性不大——那最简单的办法是把这个“错误”数量的内存分配请求转给标准operator new来处理，象下面这样：
void * Base::operator new(size_t size)
{
  if (size != sizeof(Base))             // 如果数量“错误”，让标准operator new
    return ::operator new(size);        // 去处理这个请求
                                        //

  ...                                   // 否则处理这个请求
}

“停!”我听见你在叫，“你忘了检查一种虽然不合理但是有可能出现的一种情况——size有可能为零!”是的，我没检查，但拜托下次再叫出声的时候不要这么文绉绉的。:)但实际上检查还是做了，只不过融合到size != sizeof(Base)语句中了。C++标准很怪异，其中之一就是规定所以独立的(freestanding)类的大小都是非零值。所以sizeof(Base)永远不可能是零(即使base类没有成员)，如果size为零，请求会转到::operator new，由它来以一种合理的方式对请求进行处理。(有趣的是，如果Base不是独立的类，sizeof(Base)有可能是零，详细说明参见"my article on counting objects")。

如果想控制基于类的数组的内存分配，必须实现operator new的数组形式——operator new[](这个函数常被称为“数组new”，因为想不出"operator new[]")该怎么发音)。写operator new[]时，要记住你面对的是“原始”内存，不能对数组里还不存在的对象进行任何操作。实际上，你甚至还不知道数组里有多少个对象，因为不知道每个对象有多大。基类的operator new[]会通过继承的方式被用来为子类对象的数组分配内存，而子类对象往往比基类要大。所以，不能想当然认为Base::operator new[]里的每个对象的大小都是sizeof(Base)，也就是说，数组里对象的数量不一定就是(请求字节数)/sizeof(Base)。关于operator new[]的详细介绍参见条款M8。

重写operator new(和operator new[])时所有要遵循的常规就这些。对于operator delete(以及它的伙伴operator delete[])，情况更简单。所要记住的只是，C++保证删除空指针永远是安全的，所以你要充分地应用这一保证。下面是非类成员形式的operator delete的伪代码：
void operator delete(void *rawMemory)
{
  if (rawMemory == 0) return;    file://如果指针为空，返回
                                 //

  释放rawMemory指向的内存;

  return;
}

这个函数的类成员版本也简单，只是还必须检查被删除的对象的大小。假设类的operator new将“错误”大小的分配请求转给::operator new，那么也必须将“错误”大小的删除请求转给::operator delete：

class Base {                       // 和前面一样，只是这里声明了
public:                            // operator delete
  static void * operator new(size_t size);
  static void operator delete(void *rawMemory, size_t size);
  ...
};

void Base::operator delete(void *rawMemory, size_t size)
{
  if (rawMemory == 0) return;      // 检查空指针

  if (size != sizeof(Base)) {      // 如果size"错误"，
    ::operator delete(rawMemory);  // 让标准operator来处理请求
    return;                       
  }

  释放指向rawMemory的内存;

  return;
}

可见，有关operator new和operator delete(以及他们的数组形式)的规定不是那么麻烦，重要的是必须遵守它。只要内存分配程序支持new-handler函数并正确地处理了零内存请求，就差不多了；如果内存释放程序又处理了空指针，那就没其他什么要做的了。至于在类成员版本的函数里增加继承支持，那将很快就可以完成。