C++中的new、operator new与placement new

参考文献

https://www.cnblogs.com/luxiaoxun/archive/2012/08/10/2631812.html
https://blog.csdn.net/linuxheik/article/details/80449059

new operator/delete operator就是new和delete操作符。而operator new/operator delete是全局函数。

1 C++中的new/delete

new operator就是new操作符，不能被重载，假如A是一个类，那么A * a=new A;实际上执行如下3个过程。

调用operator new分配内存，operator new (sizeof(A))
调用构造函数生成类对象，A::A()
返回相应指针

2 operator new/operator delete

三种形式

operator new是函数，分为三种形式（前2种不调用构造函数，这点区别于new operator）：

void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);  
void* operator new (std::size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_constant) throw();  
void* operator new (std::size_t size, void* ptr) throw();

第一种分配size个字节的存储空间，并将对象类型进行内存对齐。如果成功，返回一个非空的指针指向首地址。失败抛出bad_alloc异常。
第二种在分配失败时不抛出异常，它返回一个NULL指针。
第三种是placement new版本，它本质上是对operator new的重载，定义于#include 中。它不分配内存，调用合适的构造函数在ptr所指的地方构造一个对象，之后返回实参指针ptr。

重载operator new

第一、第二个版本可以被用户重载，定义自己的版本，第三种placement new不可重载。

重载时，返回类型必须声明为void*
重载时，第一个参数类型必须为表达要求分配空间的大小（字节），类型为size_t
重载时，可以带其它参数

实例

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class X
{
public:X() { cout<<"constructor of X"<<endl; }~X() { cout<<"destructor of X"<<endl;}void* operator new(size_t size,string str){cout<<"operator new size "<<size<<" with string "<<str<<endl;return ::operator new(size);}void operator delete(void* pointee){cout<<"operator delete"<<endl;::operator delete(pointee);}
private:int num;
};int main()
{X *px = new("A new class") X;delete px;return 0;
}

X* px = new X; //该行代码中的new为new operator，它将调用类X中的operator new，为该类的对象分配空间，然后调用当前实例的构造函数。
delete px; //该行代码中的delete为delete operator，它将调用该实例的析构函数，然后调用类X中的operator delete，以释放该实例占用的空间。
new operator与delete operator的行为是不能够也不应该被改变，这是C++标准作出的承诺。而operator new与operator delete和C语言中的malloc与free对应，只负责分配及释放空间。但使用operator new分配的空间必须使用operator delete来释放，而不能使用free，因为它们对内存使用的登记方式不同。反过来亦是一样。你可以重载operator new和operator delete以实现对内存管理的不同要求，但你不能重载new operator或delete operator以改变它们的行为。

为什么有必要写自己的operator new和operator delete？

答案通常是：为了效率。缺省的operator new和operator delete具有非常好的通用性，它的这种灵活性也使得在某些特定的场合下，可以进一步改善它的性能。尤其在那些需要动态分配大量的但很小的对象的应用程序里，情况更是如此。具体可参考《Effective C++》中的第二章内存管理。

3 Placement new

概念

placement new 是重载operator new 的一个标准、全局的版本，它不能够被自定义的版本重载

void *operator new( size_t, void * p ) throw() { return p; }

placement new返还第二个参数。其结果是允许用户把一个对象放到一个特定的地方，达到调用构造函数的效果。

Widget * p = new Widget; //ordinary new
pi = new (ptr) int;     //placement new

括号里的参数ptr是一个指针，它指向一个内存缓冲器，placement new将在这个缓冲器上分配一个对象。这个内存缓冲器可以在堆上也可以在栈上。
Placement new的返回值是这个被构造对象的地址(比如括号中的传递参数)。

应用场景

在对时间要求非常高的应用程序中，因为这些程序分配的时间是确定的；
长时间运行而不被打断的程序；
以及执行一个垃圾收集器 (garbage collector)。

Placement new 存在的理由

用placement new 解决buffer的问题。问题描述：用new分配的数组缓冲时，由于调用了默认构造函数，因此执行效率上不佳。若没有默认构造函数则会发生编译时错误。如果你想在预分配的内存上创建对象，用缺省的new操作符是行不通的。要解决这个问题，你可以用placement new构造。它允许你构造一个新对象到预分配的内存上。
增大时空效率的问题。使用new操作符分配内存需要在堆中查找足够大的剩余空间，显然这个操作速度是很慢的，而且有可能出现无法分配内存的异常（空间不够）。placement new就可以解决这个问题。我们构造对象都是在一个预先准备好了的内存缓冲区中进行，不需要查找内存，内存分配的时间是常数；而且不会出现在程序运行中途出现内存不足的异常。所以，placement new非常适合那些对时间要求比较高，长时间运行不希望被打断的应用程序。

实例

#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:A(){cout << "A's constructor" << endl;}~A(){cout << "A's destructor" << endl;}void show(){cout << "num:" << num << endl;}private:int num;
};int main()
{char mem[100];mem[0] = 'A';mem[1] = '\0';mem[2] = '\0';mem[3] = '\0';cout << (void*)mem << endl;A* p = new (mem)A;cout << p << endl;p->show();p->~A();getchar();
}

用定位放置new操作，既可以在栈(stack)上生成对象，也可以在堆（heap）上生成对象。如本例就是在栈上生成一个对象。
使用语句A* p=new (mem) A;定位生成对象时，指针p和数组名mem指向同一片存储区。所以，与其说定位放置new操作是申请空间，还不如说是利用已经请好的空间，真正的申请空间的工作是在此之前完成的。
使用语句A *p=new (mem) A;定位生成对象时，会自动调用类A的构造函数，但是由于对象的空间不会自动释放（对象实际上是借用别人的空间），所以必须显示的调用类的析构函数，如本例中的p->~A()。

4 new 、operator new 和 placement new 区别

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：

调用operator new分配内存；
调用构造函数生成类对象；
返回相应指针。

4 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。
placement new：只是operator new重载的一个版本。它并不分配内存，只是返回指向已经分配好的某段内存的一个指针。因此不能删除它，但需要调用对象的析构函数。
如果你想在已经分配的内存中创建一个对象，使用new时行不通的。也就是说placement new允许你在一个已经分配好的内存中（栈或者堆中）构造一个新的对象。原型中void* p实际上就是指向一个已经分配好的内存缓冲区的的首地址。

5 实例——Placement new使用步骤

在很多情况下，placement new的使用方法和其他普通的new有所不同。这里提供了它的使用步骤。

第一步缓存提前分配

有三种方式：

为了保证通过placement new使用的缓存区的memory alignment(内存队列)正确准备，使用普通的new来分配它：在堆上进行分配

class Task ;
char * buff = new [sizeof(Task)]; //分配内存
(请注意auto或者static内存并非都正确地为每一个对象类型排列，所以，你将不能以placement new使用它们。)

在栈上进行分配

class Task ;
char buf[N*sizeof(Task)]; //分配内存

还有一种方式，就是直接通过地址来使用。(必须是有意义的地址)

void* buf = reinterpret_cast<void*> (0xF00F);

第二步：对象的分配

在刚才已分配的缓存区调用placement new来构造一个对象。

Task *ptask = new (buf) Task

第三步：使用

按照普通方式使用分配的对象：

ptask->memberfunction();ptask-> member;//...

第四步：对象的析构

一旦你使用完这个对象，你必须调用它的析构函数来毁灭它。按照下面的方式调用析构函数：

ptask->~Task(); //调用外在的析构函数

第五步：释放

你可以反复利用缓存并给它分配一个新的对象（重复步骤2，3，4）如果你不打算再次使用这个缓存，你可以象这样释放它：delete [] buf;

跳过任何步骤就可能导致运行时间的崩溃，内存泄露，以及其它的意想不到的情况。如果你确实需要使用placement new，请认真遵循以上的步骤。

代码实现

#include <iostream>
using namespace std;class X
{
public:X() { cout<<"constructor of X"<<endl; }~X() { cout<<"destructor of X"<<endl;}void SetNum(int n){num = n;}int GetNum(){return num;}private:int num;
};int main()
{char* buf = new char[sizeof(X)];X *px = new(buf) X;px->SetNum(10);cout<<px->GetNum()<<endl;px->~X();delete []buf;return 0;
}