C++ 内存分配(new,operator new)详解

new运算符和operator new()

new:指我们在C++里通常用到的运算符,比如A* a = new A;  对于new来说,有new和::new之分,前者位于std

operator new():指对new的重载形式,它是一个函数,并不是运算符。对于operator new来说,分为全局重载和类重载,全局重载是void* ::operator new(size_t size),在类中重载形式 void* A::operator new(size_t size)。还要注意的是这里的operator new()完成的操作一般只是分配内存,事实上系统默认的全局::operator new(size_t size)也只是调用malloc分配内存,并且返回一个void*指针。而构造函数的调用(如果需要)是在new运算符中完成的

new和operator new之间的关系

A* a = new A;我们知道这里分为两步:1.分配内存,2.调用A()构造对象。事实上,分配内存这一操作就是由operator new(size_t)来完成的,如果类A重载了operator new,那么将调用A::operator new(size_t ),如果没有重载,就调用::operator new(size_t ),全局new操作符由C++默认提供。因此前面的两步也就是:1.调用operator new 2.调用构造函数。

(1)new :不能被重载,其行为总是一致的。它先调用operator new分配内存,然后调用构造函数初始化那段内存。

new 操作符的执行过程:
1. 调用operator new分配内存 ;
2. 调用构造函数生成类对象;
3. 返回相应指针。

(2)operator new:要实现不同的内存分配行为,应该重载operator new,而不是new。

operator new就像operator + 一样,是可以重载的。如果类中没有重载operator new,那么调用的就是全局的::operator new来完成堆的分配。同理,operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重载的。

如何限制对象只能建立在堆上或者栈上

在C++中,类的对象建立分为两种,一种是静态建立,如A a;另一种是动态建立,如A* ptr=new A;这两种方式是有区别的。

静态建立一个类对象,是由编译器为对象在栈空间中分配内存,是通过直接移动栈顶指针,挪出适当的空间,然后在这片内存空间上调用构造函数形成一个栈对象。使用这种方法,直接调用类的构造函数。

动态建立类对象,是使用new运算符将对象建立在堆空间中。这个过程分为两步,第一步是执行operator new()函数,在堆空间中搜索合适的内存并进行分配;第二步是调用构造函数构造对象,初始化这片内存空间。这种方法,间接调用类的构造函数。

那么如何限制类对象只能在堆或者栈上建立呢?下面分别进行讨论。

只能建立在堆上(设置析构函数为Protected)

类对象只能建立在堆上,就是不能静态建立类对象,即不能直接调用类的构造函数。

容易想到将构造函数设为私有。在构造函数私有之后,无法在类外部调用构造函数来构造类对象,只能使用new运算符来建立对象。然而,前面已经说过,new运算符的执行过程分为两步,C++提供new运算符的重载,其实是只允许重载operator new()函数,而operator()函数用于分配内存,无法提供构造功能。因此,这种方法不可以。

当对象建立在栈上面时,是由编译器分配内存空间的,调用构造函数来构造栈对象。当对象使用完后,编译器会调用析构函数来释放栈对象所占的空间。编译器管理了对象的整个生命周期。如果编译器无法调用类的析构函数,情况会是怎样的呢?比如,类的析构函数是私有的,编译器无法调用析构函数来释放内存。所以,编译器在为类对象分配栈空间时,会先检查类的析构函数的访问性,其实不光是析构函数,只要是非静态的函数,编译器都会进行检查。如果类的析构函数是私有的,则编译器不会在栈空间上为类对象分配内存。

因此,将析构函数设为私有,类对象就无法建立在栈上了。代码如下:

class A  
{  
public:  
    A(){}  
    void destory(){delete this;}  
private:  
    ~A(){}  
};

 试着使用A a;来建立对象,编译报错,提示析构函数无法访问。这样就只能使用new操作符来建立对象,构造函数是公有的,可以直接调用。类中必须提供一个destory函数,来进行内存空间的释放。类对象使用完成后,必须调用destory函数。

上述方法的一个缺点就是,无法解决继承问题。如果A作为其它类的基类,则析构函数通常要设为virtual,然后在子类重写,以实现多态。因此析构函数不能设为private。还好C++提供了第三种访问控制,protected。将析构函数设为protected可以有效解决这个问题,类外无法访问protected成员,子类则可以访问。

另一个问题是,类的使用很不方便,使用new建立对象,却使用destory函数释放对象,而不是使用delete。(使用delete会报错,因为delete对象的指针,会调用对象的析构函数,而析构函数类外不可访问)这种使用方式比较怪异。为了统一,可以将构造函数设为protected,然后提供一个public的static函数来完成构造,这样不使用new,而是使用一个函数来构造,使用一个函数来析构。代码如下,类似于单例模式:

class A  
{  
protected:  
    A(){}  
    ~A(){}  
public:  
    static A* create()  
    {  
        return new A();  
    }  
    void destory()  
    {  
        delete this;  
    }  
};

这样,调用create()函数在堆上创建类A对象,调用destory()函数释放内存。

只能建立在栈上(重载new函数设为私有)

只有使用new运算符,对象才会建立在堆上,因此,只要禁用new运算符就可以实现类对象只能建立在栈上。将operator new()设为私有即可。代码如下:

class A  
{  
private:  
    void* operator new(size_t t){}     // 注意函数的第一个参数和返回值都是固定的  
    void operator delete(void* ptr){} // 重载了new就需要重载delete  
public:  
    A(){}  
    ~A(){}  
};

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