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(kāi)發(fā)者頭痛的問(wèn)題，本文通過(guò)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(lèi)型的，一個(gè)的類(lèi)成員類(lèi)型的。全局類(lèi)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(lèi)型的動(dòng)態(tài)內(nèi)存時(shí)，一種是在分配用戶沒(méi)有自己定義operator new成員函數(shù)的用戶自定義類(lèi)型的動(dòng)態(tài)內(nèi)存時(shí)。 如果用戶在自己定義的類(lèi)型中，定義了operator new函數(shù)，那么用戶在用new申請(qǐng)?jiān)擃?lèi)型的動(dòng)態(tài)內(nèi)存時(shí), 便會(huì)調(diào)用該類(lèi)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(lèi)型, 第一個(gè)參數(shù)為size_t類(lèi)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(lèi)型，第一個(gè)參數(shù)必須為size_t類(lèi)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(guò)參數(shù)傳入一些額外的信息，來(lái)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(lèi)成員的兩種。這里需要注意，一個(gè)類(lèi)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(méi)有其它的形式。如果一個(gè)類(lèi)實(shí)現(xiàn)了自己的operator delete function成員函數(shù)，那么在釋放該類(lèi)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?lèi)中實(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(lái)釋放子類(lèi)類(lèi)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(lái)完成的，利用new operator來(lái)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(lái)進(jìn)行初始化
下面來(lái)說(shuō)一說(shuō)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(lái)傳遞額外的參數(shù)
type-name: 指定要分配的內(nèi)存的類(lèi)型，可以是內(nèi)建(built-in)類(lèi)型，也可以是用戶自定義類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lái)釋放普通的對(duì)象(包括內(nèi)建類(lèi)型）類(lèi)型的內(nèi)存，第二種用來(lái)釋放對(duì)象的數(shù)組類(lèi)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(lái)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(lái)析構(gòu)對(duì)象
- b. 調(diào)用operator delete function來(lái)釋放內(nèi)存(deallocate the memory)
3. 關(guān)于new/delete使用過(guò)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(guò)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(guò)程中，編譯器會(huì)自動(dòng)調(diào)用operator new/delete function來(lái)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(xiě)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(méi)有自己重載對(duì)應(yīng)的operator new function；delete operator失敗，常見(jiàn)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(méi)有任何害處的
(6) 類(lèi)成員類(lèi)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(wèn)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
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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
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delete1 |
上面的程序很簡(jiǎn)單，我在這里不做過(guò)多的解釋?zhuān)信d趣的朋友可以自己分析一下。
通過(guò)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(xiě)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(jiàn)的方法結(jié)合起來(lái)，我們才寫(xiě)出更加健壯的C++程序。歡迎讀者朋友留言一起交流！