積木

C++中內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配與管理永遠(yuǎn)是一個(gè)讓C++開發(fā)者頭痛的問題，本文通過對(duì)C++中內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配釋放的基本原理的介紹，讓讀者朋友能對(duì)C++中的內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配與釋放有較為深入的理解，從而更好駕馭C++程序。

1. 函數(shù)(Function)
(1) operator new function

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void * ::operator new(size_t);	                //Global
void * class-name::operator new(size_t); 	//Class

上面是C++中operator new function的原型，一個(gè)是全局類型的，一個(gè)的類成員類型的。全局類型的operator new函數(shù)在下面兩種情況下被調(diào)用：一種是在分配C++內(nèi)建（built-in）類型的動(dòng)態(tài)內(nèi)存時(shí)，一種是在分配用戶沒有自己定義operator new成員函數(shù)的用戶自定義類型的動(dòng)態(tài)內(nèi)存時(shí)。 如果用戶在自己定義的類型中，定義了operator new函數(shù)，那么用戶在用new申請(qǐng)?jiān)擃愋偷膭?dòng)態(tài)內(nèi)存時(shí), 便會(huì)調(diào)用該類型的成員函數(shù)operator new, 而不是全局的operator new。

另外，我們注意到，上面的原型中函數(shù)的返回值為void *類型, 第一個(gè)參數(shù)為size_t類型，這個(gè)是C++編譯器要求的，如果要自己重載operator new函數(shù)，返回值必須為void* 類型，第一個(gè)參數(shù)必須為size_t類型，否則，編譯器會(huì)返回如下錯(cuò)誤信息：

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error: ‘operator new’ takes type ‘size_t’ (‘unsigned int’) as first parameter

這里需要注意的一點(diǎn)是，我們可以利用operator new function可以重載的特點(diǎn)，可以通過參數(shù)傳入一些額外的信息，來調(diào)試程序，檢測(cè)內(nèi)存泄露等。比如，我們可以像下面這樣重載，傳入調(diào)用處的行號(hào)，函數(shù)名，這樣就可以跟蹤內(nèi)存的分配使用情況：

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void * operator new(size_t unSize, int nLine, const char * pFunc)
{
    prinft("Line: %d, Func: %s, allocate %u byte(s)\n", nLine, pFunc, unSize);
    return malloc(unSize);
}

(2) operator delete function

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void operator delete( void * );
void operator delete( void *, size_t );

上面是operator delete function的原型。operator delete function也有全局的和類成員的兩種。這里需要注意，一個(gè)類只能有一個(gè)operator delete function做為其成員函數(shù)，而且必須為上面兩種中的其中一種，沒有其它的形式。如果一個(gè)類實(shí)現(xiàn)了自己的operator delete function成員函數(shù)，那么在釋放該類型的內(nèi)存時(shí)，編譯器便會(huì)調(diào)用成員operator delete function, 而不是全局的。

上面的兩種原型，第一種，在調(diào)用的時(shí)候，編譯器會(huì)把要釋放的內(nèi)存的首地址傳入，第二種，在調(diào)用的時(shí)候，編譯器會(huì)把要釋放的內(nèi)存的首地址和大小都傳入。因此，可以利用這一特性，如果我們?cè)诨愔袑?shí)現(xiàn)第二種形式的operator delete function的成員函數(shù)，那么便可以用之來釋放子類類型的內(nèi)存（具體參考最后面的例子）。

2. 運(yùn)算符(Operator)
(1) new operator

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[::] new [placement] new-type-name [new-initializer]
[::] new [placement] ( type-name ) [new-initializer]

注：上面的’[]‘表示在其中的部分是optional（可選的）
上面是new operator的原型。在C++中，動(dòng)態(tài)內(nèi)存的分配,通常都是調(diào)用new operator來完成的，利用new operator來分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存，編譯器要做下面兩項(xiàng)工作：

• a. 調(diào)用operator new function分配內(nèi)存（allocate the memory）
• b. 調(diào)用構(gòu)造函數(shù)（call the constructor）來進(jìn)行初始化

下面來說一說new operator的原型中各部分到底是干什么的：
placement: 如果你重載了operator new function, placement可以用來傳遞額外的參數(shù)
type-name: 指定要分配的內(nèi)存的類型，可以是內(nèi)建(built-in)類型，也可以是用戶自定義類型
new-initializer: 指定對(duì)分配后內(nèi)存的初始化的參數(shù)，也就的構(gòu)造函數(shù)的參數(shù) 。這里需要注意一點(diǎn)，在分配一個(gè)對(duì)象的數(shù)組類型的內(nèi)存時(shí)，不能夠指定初始化參數(shù)；換言之，要想分配一個(gè)對(duì)象的數(shù)組類型的內(nèi)存，該對(duì)象必須有缺省構(gòu)造函數(shù)

(2) delete opeartor

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[::] delete cast-expression
[::] delete [ ] cast-expression

上面是delete operator的原型，第一種用來釋放普通的對(duì)象(包括內(nèi)建類型）類型的內(nèi)存，第二種用來釋放對(duì)象的數(shù)組類型的內(nèi)存。在C++中，用new operator分配的動(dòng)態(tài)內(nèi)存，必須調(diào)用delete operator來釋放，通常用delete operator釋放內(nèi)存編譯器要做下面兩項(xiàng)工作：

• a. 調(diào)用對(duì)象析構(gòu)函數(shù)來析構(gòu)對(duì)象
• b. 調(diào)用operator delete function來釋放內(nèi)存(deallocate the memory)

3. 關(guān)于new/delete使用過程中一些需要注意的點(diǎn)
(1)如何區(qū)別operator new/delete function 與 new/delete operator ?
通過上面的講述，不難看出，我們分配/釋放動(dòng)態(tài)內(nèi)存，調(diào)用的是new/delete operator, 而在調(diào)用new/delete的過程中，編譯器會(huì)自動(dòng)調(diào)用operator new/delete function來完成實(shí)際的內(nèi)存分配/釋放的工作

(2) 用delete operator去釋放一塊不是由new operator釋放的內(nèi)存，結(jié)果是不可預(yù)料的，因此，切記，operator new與operator delete一定要配對(duì)使用，這是寫好程序的基礎(chǔ)

(3) new operator調(diào)用失敗會(huì)拋出std::bad_alloc異常，前提是你沒有自己重載對(duì)應(yīng)的operator new function；delete operator失敗，常見的原因是多次delete同一塊內(nèi)存

(4) 如果一塊內(nèi)存被delete后，再對(duì)它解引用(Dereference)，結(jié)果也是不可預(yù)測(cè)的，很可能導(dǎo)致程序崩潰

(5) delete一個(gè)空(NULL)指針是安全的，沒有任何害處的

(6) 類成員類型的operator new/delete函數(shù)必須為靜態(tài)(static)函數(shù)，因此它們不能為虛函數(shù)(virtual function)，也遵守public, protected, private的訪問權(quán)限控制

4. 關(guān)于上面所講的內(nèi)容的一些例子：
程序：

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#include <stdio .h>
#include <stdlib .h>
 
void * operator new(size_t unSize)
{
    printf("operator new called\n");
    return malloc(unSize);
}
 
void * operator new(size_t unSize, int nLine, const char * pFunc)
{
    printf("operator new called, line: %d, func: %s\n",
            nLine, pFunc);
    return malloc(unSize);
}
 
void operator delete(void * pMem)
{
    printf("delete1\n");
    free(pMem);
}
 
class A
{
public:
 
    A(int a = 0) :
        _a(a)
    {   
        printf("constructor called\n");
    }   
    {
        printf("~A()\n");
    }
 
    static void operator delete(void * pMem, size_t unSize)
    {
        printf("delete2: %u\n", unSize);
        free(pMem);
    }
 
private:
 
    int _a;
};
 
class B: public A
{
public:
 
    ~B()
    {
        printf("~B()\n");
    }
 
    int _b;
 
    int _bb;
};
 
int main()
{
    A * pA = new A(10);
    printf("#######\n");
 
    A * pB = new (__LINE__, __func__) B();
    printf("#######\n");
 
    A * szA = new A[10];
    printf("#######\n");
 
    delete pA; 
    printf("#######\n");
 
    delete pB; 
    printf("#######\n");
 
    delete [] szA;
    printf("#######\n");
 
    char * pC = NULL;
    delete pC; 
}
</stdlib></stdio>

運(yùn)行結(jié)果：

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wuzesheng@wuzesheng-ubuntu:~/Program$ ./a.out 
operator new called
constructor called
#######
operator new called, line: 68, func: main
constructor called
#######
operator new called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
constructor called
#######
~A()
delete2: 8
#######
~B()
~A()
delete2: 16
#######
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
~A()
delete1
#######
delete1

上面的程序很簡(jiǎn)單，我在這里不做過多的解釋，感興趣的朋友可以自己分析一下。

通過我上面的講解，相信大多數(shù)朋友應(yīng)該對(duì)C++中內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配與釋放有了較為深入的理解。后續(xù)我還有可能寫一些關(guān)于C++中內(nèi)存管理的文章，只有把本文所講的內(nèi)容與后續(xù)的內(nèi)存管理的一些常見的方法結(jié)合起來，我們才寫出更加健壯的C++程序。歡迎讀者朋友留言一起交流！