（Effective C++）第八章 定制new和delete(Customizing new and delete)

10.1 条款49：了解new-handler行为 (Understand the behavior of the new-handler)

当operator new抛出异常以反映一个未获满足的内存需求之前，它会调用一个客户指定的错误处理函数，一个所谓的new-handler。标准程序库函数<new>的set_new_handler接口：

namespace std {

    typedef void (*new_handler)();

    new_handler set_new_handler(new_handler p) throw();

}

如上new_handler是个typedef，定义出一个指针指向函数，该函数没有参数也不返回任何东西。set_new_handler则是“获得一个new_handler并返回一个new_handler”的函数。Set_new_handler声明式尾端的“throw()”是一份异常明细，表示该函数不抛出任何异常。

Set_new_handler的参数是一个指针，指向operator new无法分配足够内存时该被调用的函数。其返回值也是个指针，指向Set_new_handler被调用前正在指向的那个new_handler函数。

设计一个良好的new_handler函数必须做到以下事情：

1）    让更多的内存可被使用。比如，程序一开始执行就分配一大块内存，而后当new_handler第一次被调用，将它们释放还给程序使用。

2）    安装另一个new_handler。寻找一个可以获得更多内存的new_handler。

3）    卸除new_handler，也就是将null指针传给set_new_handler。一旦不安装任何new_handler，operator new会在内存分配不成功时抛出异常。

4）    抛出bad_alloc（或派生自bad_alloc）的异常。

5）    不返回，通常调用abort或exit。

C++并不支持class专属之new_handlers，你需要设计一个Widget class来处理这种需求。

class Widget {

public:

  static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();

static void *operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);

private:

static std::new_handler currentHandler;

};

//static成员必须在class定义式之外被定义，在class实现文件内初始化为null

std::new_handler Widget::currentHandler = 0;

static std::new_handler Widget::set_new_handler(std::new_handler p) throw()

{

std::new_handler oldhandler = currentHandler;

currentHandler = p;

return oldhandler;

}

void* Widget::operator new (std::size_t size) throw(std::bad_alloc)

{  //安装Widget的new_hander

NewHandlerHolder h(std::new_handler(currentHandler));

return ::operator new(size);  //分配内存或抛出异常恢复global new_handler

}

示例10-1-1 class专属的new_handler上章

Widget的operator new做以下事情：

1）    调用标准set_new_handler，告知Widget的错误处理函数。

2）    调用global operator new，执行实际内存分配。如果分配失败，global operator new会调用Widget的new_handler。如果global operator new最终无法分配足够内存，会抛出一个bad_alloc异常。

3）    如果global operator new能够分配足够一个Widget对象所用的内存，Widget的operator new会返回一个指针，执行分配所得。

以下以C++代码再阐述一次：

    

class NewHandlerHolder {

public:

explicit NewHandlerHolder(std::new_handler nh):handler(nh){}  //取得目前的new_handler

~ NewHandlerHolder()

{ std::set_new_handler(handler);}  //释放它

  static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();

static void *operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);

private:

std::new_handler handler;

NewHandlerHolder(const NewHandlerHolder&);  //阻止coping行为，条款4

NewHandlerHolder& operator=(const NewHandlerHolder&);

};

//static成员必须在class定义式之外被定义，在class实现文件内初始化为null

std::new_handler Widget::currentHandler = 0;

static std::new_handler Widget::set_new_handler(std::new_handler p) throw()

{

std::new_handler oldhandler = currentHandler;

currentHandler = p;

return oldhandler;

}

void outOfMem();

Widget::set_new_handler(outOfMem);

Widget *pw1 = new Widget; //如果分配失败，调用outOfMem

Std::string *ps = new std::string; //如果分配失败，调用global new_handler函数

Widget::set_new_handler(0);

Widget *pw2 = new Widget; //如果分配失败，立即抛出异常

示例10-1-2 class专属的new_handler下章

假设上述的方案改为base class继承derived class，然后将这个base class转为template，如此每个derived class将获得实体互异的class data复件。这个设计的base class部分让derived classes继承它们所需要的set_new_handler和operator new，而template部分则去报每一个derived class获得一个实体互异currentHandler成员变量。如下：

template<typename T>

class NewHandlerSupport { //class专属的set_new_handler

public:

  static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();

static void *operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);

…

private:

std::new_handler handler;

};

template<typename T>

std::new_handler NewHandlerSupport<T>::set_new_handler(std::new_handler p) throw();

{

std::new_handler oldhandler = currentHandler;

currentHandler = p;

return oldhandler;

}

template<typename T>

void* NewHandlerSupport<T>::operatornew (std::size_t size) throw(std::bad_alloc)

{  //安装Widget的new_hander

NewHandlerHolder h(std::new_handler(currentHandler));

return ::operator new(size);  //分配内存或抛出异常恢复global new_handler

}

//以下每一个currentHandler初始化null

template<typename T>

std::new_handler NewHandlerSupport<T>::currentHandler = 0;

示例10-1-3 class专属的new_handler template

有了这个class template为Widget添加set_new_handler支持能力就容易多了。只要Widget继承NewhandlerSupport<Widget>就ok。

class Widget:: public NewHandlerSupport<Widget>

{ //和先前一样，但不必声明set_new_handler或operator new

…

};

Template机制会自动为每一个T生成一份currentHandler。

C++标准委员会提供了一种形式的operator new，负责供应传统的“分配失败就返回null”的行为。这个形式被称为“nothrow”形式。

Widget *pw1 = new Widget; //如果分配失败，抛出bad-alloc

if (pw1 == NULL) //这个测试一定失败

Widget *pw2 = new (std::nothrow) Widget; //如果分配失败，返回0

if (pw2 == NULL) //这个测试可能成功
表达式“new（std::nothrow）Widget ”发生两件事，第一，nothrow版的operator new被调用，如果分配失败，返回null。第二，Widget构造函数导致异常。因此，其实没有必要使用nothrow new的需要。

10.2 条款50：了解new和delete的合理替换时机 (Understand when it makes sense to replace new and delete)

替换编译器提供的operator new或operator delete的常见理由：

1）    用来检测运用上的错误。如果我们自行一个operator news，便可超额分配内存，以额外的空间放置特定的byte pattern（即签名，signature）。Operator deletes便得以检测上述签名是否原封不动。

2）    为了强化效能。 如果你对程序的动态内存分配有深刻了解，可以自己定制。

3）    为了收集统计数据。

4）    为了增加分配和归还的速度。泛用型的分配器往往比定制性分配器慢。

5）    为了降低内存管理器带来的空间额外开销。泛用型内存管理往往还是用更多的内存来区分类型。

6）    为了弥补缺省分配器中的非最佳齐位（suboptional alignment）。

7）    为了将相关对象成簇集中。

8）    为了获得非传统的行为。比如分配和归还共享内存（share memory）。使用C++封装C API。

10.3 条款51：编写new和delete时需要固守成规 (Be aware of template metaprogramming)

先从operator new谈起。实现一致性operator new必得返回正确的值，内存不足时必得调用new handling函数，必须有对付零内存需求的准备，还需要避免不慎掩盖正常形式的new。

Operator new的返回值，要么返回一个指针指向那块内存，要么抛出一个bad_alloc异常。Operator new实际上不止尝试一次分配内存，并每次失败后调用new_handing函数，当指向new_handing函数的指针是null，operator new才会抛出异常。Operator new内含一个无穷循环，退出循环的唯一办法是：内存分配成功，安装另一个new_handler，卸载new_handler，抛出bad_alloc异常，或是承认失败而直接return。条款49。

客户要求0bytes时，operator new也得返回一个合法指针，指向1字节的空间。

假设operator new成员函数会被derived classes继承。例如

class Base {

public:

static void *operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);   

。。。

};

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

Derived *pd = new Derived;  //错误，这里调用的是Base的operator new

示例10-3-1 operator new被继承

处理次清醒的最佳做法是将“内存申请量错误”的调用行为改为采用标准operator new，像这样：

void *Base::operator new(std::size_t size) throw (std::bad_alloc)

{

    if (size != sizeof(Base))

          return ::operator new(size);

    …

}

如果你决定写一个operator new[]，唯一需要做的一件事就是分配一块未加工内存（raw memory）。

C++保证“删除null指针永远安全”，所以non-member operator delete的伪码：

void operator delete(void *pMem) throw ()

{

    if (pMem== 0) return;

    //现在归还内存

    …

}

这个函数的member版本如下：

void operator Base::delete(void *pMem, size_t size) throw ()

{

    if (pMem== 0) return;

if (size != sizeof(Base)){

     ::operator delete(size);

return;

}

//现在归还内存

    …

}

10.4 条款52：写了placement new也要写placement delete (Be aware of template metaprogramming)

当你写一个new表达式像这样：

Widget *pw = new Widget;

共有两个函数被调用：一个是用以分别内存的operator new，一个是widget 的default构造函数。

假设其中第一个函数调用成功，第二函数却抛出异常，此时防止内存泄露的责任落到C++运行期系统身上。运行期系统调用步骤一所调用的operator new的相应operator delete版本，前提是它必须知道哪一个operator delete该被调用。

正常的operator new：

void *operator new(std::size_t ) throw (std::bad_alloc);

对应于正常的operator delete：

void *operator delete(void* rawMem) throw (std::bad_alloc);  //global作用域

void *operator new(void* rawMem,  std::size_t size) throw (std::bad_alloc); //class作用域

如果operator new接受的参数除了一定会有的那个size_t之外还有其他，这便是所谓的placement new。众多placement new版本中特别有用的一个是“接受一个指针指向对象该被构造之处”，如下：

void *operator new(std::size_t, void* pMem) throw();

这个版本的new被纳入了C++标准程序库。一般性术语，“placement new”意味带任意额外参数的new，因为另一个术语“placement delete”直接派生自它。

假设你写了一个class专属的operator new，如下：

class Widget {

public:

…

static void *operator new(std::size_t size, std::ostream & logStream)

   throw(std::bad_alloc);         //非正常形式的new

static void operator delete(void *pMem, std::size_t size);

  throw();                   //正常的class专属delete

};

//调用operator new并传递cerr为其ostream实参，

//这个动作会在widget构造函数抛出异常时泄露内存

Widget *pw = new (std::cerr) Widget;

示例10-4-1 class专属的operator new

运行期系统寻找“参数个数和类型都与operator new相同”的某个operator delete。如果找到，就调用它的调用对象。本例的operator new接受类型为ostream&的额外实参，所以对应的operator delete应该是：

void operator delete(void* , std::ostream &) throw();

类似于new的placement版本，operator delete如果接受额外参数，便称为placement deletes。

为此class Widget有必要声明一个placement delete，对应与那个有记录日志功能的placement new。

这样改变之后，有了如下的情况：

Widget *pw = new (std::cerr) Widget;

delete pw;  //调用正常的operator delete

如上情况，调用的是正常形式的operator delete，而非placement 版本。Placement delete版本只有在“伴随placement new调用而触发的构造函数”出现异常时才会被调用。

另外，由于成员函数的名称会遮掩其外围作用域的相同名称（条款33），你必须小心避免让class的专属的news掩盖客户期望的其他news（包括正常版本）。

class Base {

public:

…

static void *operator new(std::size_t size, std::ostream & logStream)

   throw(std::bad_alloc);         //这个new会遮掩正常的global形式

。。。

};

Base *pb = new Base;  //错误，因为正常的operator new被遮掩

Base *pb = new (std::cerr) Base; //正确，调用Base的placement new

class Derived:public Base {

public:

…

static void *operator new(std::size_t size)

   throw(std::bad_alloc);         //重新声明正常的new

。。。

};

Derived *pd = new (std::clog) Derived;  //错误，因为Base的placement new被遮掩

Derived *pd = new Derived; //正确，调用Base的operator new

示例10-4-2 名称被遮掩

条款33，对于撰写分配函数，缺省情况下C++在global作用域内提供以下形式的operator new：

void *operator new(std::size_t ) throw (std::bad_alloc);  //normal new

void *operator new(std::size_t, void*) throw (); //placement new

void *operator new(std::size_t, const std::nothrow_t & ) throw); //nothrow new

class StandardBase {

public:

// normal new/delete

static void *operator new(std::size_t size)

   throw(std::bad_alloc)

{ return ::operator new(size);}

static void operator delete(void* pMem) throw()

{return ::operator delete(pMem);}    

// placement new/delete

static void *operator new(std::size_t size,void*ptr) throw()

{ return ::operator new(size, ptr);}

static void operator delete(void* pMem, void*ptr) throw()

{ return ::operator delete(pMem,ptr); }

// nothrow new/delete

static void *operator new(std::size_t size, const std::nothrow_t &nt) throw()

{ return ::operator new(size, nt);}

static void operator delete(void* pMem, const std::nothrow_t &nt) throw()

{ return ::operator delete(pMem);}

};

class Widget:public StandardBase {

public:

using StandardBase::operator new;

using StandardBase::operator delete;

static void *operator new(std::size_t size, std::ostream & logStream)

   throw(std::bad_alloc);         //非正常形式的new

static void *operator delete(void* , std::ostream &) throw();

。。。

};

Widget *pw = new (std::clog) Widget;  //OK

Widget *pw = new Widget; //正确

示例10-4-3 class专属new用法

这就意味着，如果要对所有与placement new相关的内存泄露宣战，必须同时提供一个正常的operator delete（用于构造期间无任何异常被抛出）和一个placement版本（用于构造期间有异常抛出）。后者的额外参数必须和operator new一样。

11 其他(Others)

11.1 C++关键字explicit

C++提供了关键字explicit，可以阻止不应该允许的经过转换构造函数进行的隐式转换的发生。声明为explicit的构造函数不能在隐式转换中使用。

　　C++中， 一个参数的构造函数， 承担了两个角色。 1 是个构造器 2 是个默认且隐含的类型转换操作符。

　　所以， 有时候在我们写下如 AAA = XXX， 这样的代码， 且恰好XXX的类型正好是AAA单参数构造器的参数类型， 这时候编译器就自动调用这个构造器， 创建一个AAA的对象。