52.内存管理定式

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前言

 
上一节描述了何时需要自定义operator new与operator delete，但并没有描述自定义时应当遵循何种规则。实际上这些规则并不难奉行，只是不太直观。

operator new

 
operator new共有四个要求：

  1. 返回正确的值
  2. 内存不足时必须调用new-handling函数
  3. 考虑0内存需求
  4. 避免掩盖global new（虽然这更偏近class接口要求）。

operator new 返回值

一般而言，operator new返回值很简单，分配成功则返回一个指向那块内存的指针，反之则遵循Effective C++ 50的约定，并抛出一个bad_alloc异常。

其实也不是特别简单，因为它实际上不只一次尝试分配内存，并在每一次失败后都调用new-handling函数。这里假设new-handling也许能够释放一些内存，当只有指向new-handling函数的指针是nullptr时，operator new才会抛出异常。

0内存需求

c++规定，即使客户需要0bytes，也必须提供合法指针而不得返回nullptr。为了满足约定，有伪代码实现如下：

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void* operator new(size_t size) throw(bad_alloc){
    using namespace std;
    if(size==0) size=1;
    while(true){
        ...//尝试分配内存
        if(分配成功）
        return （一个指向分配内存的指针）；
        new_handler globalHandler = set_new_handler(nullptr);
        set_new_handler(globalHandler);
        if(globalHandler)
            *globalHandler();
        else throw bad_alloc();
    }
}

其中不太科学的地方就是将new-handling函数指针设置为nullptr后又迅速恢复了它，这是因为我们别无他法来获取当前的new-handling函数。这种操作技巧在单线程下拙劣且有效，多线程环境可能需要某种lock来确保new_handling函数背后的某种数据结构不遭破坏。

operator new与继承体系

 
在上述实例中我们没有考虑过继承。一般而言，定制内存管理器的常见理由是针对某个class的对象进行优化，而不是对其derived class对象作出优化。也就是说，针对class X而设计的operator new其行为只是刚好为sizeof（X）的对象而设计。众所周知，dc对象一般要大于bc对象：

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class Base{
public:
    static void* operator new(size_t size) throw(bad_alloc);
    ...
};
class Derived:public Base {...};//未声明operator new
Derived* p = new Derived;//调用Base::operator new

针对继承，我们有补救措施如下：
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void* Base::operator new(size_t size) throw(bad_alloc){
    if(size!=sizeof(Base))
        return ::operator new(size);//std::operator new
    ...
}

看起来这种实现似乎没有考虑size==0的情况，但是实际上它考虑了，因为所有独立式对象必须有大小（见Effective C++ 40）因此sizeof(bc)无论如何都不会为0。

operator new[]

 
如果我们需要实现new[],我们要做的事情只有一个：分配一块raw memory。因为我们既不知道这个array具体有多少元素，也不知道其元素的大小（因为dc的对象往往比bc的对象大），另外传递给new[]的size_t参数未必就是真正的元素个数，因为实际上array会有一部分负责存放其元素个数，它们也需要占据内存。

operator delete

 
operator delete的情况简单一些，你只需要记住“删除nullptr永远安全即可”：

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void operator delete(void* rawMemory) throw(){
    if(rawMemory == nullptr) return;
    ...//释放内存
}

当其作为class的member函数时，它只需要像new操作一样，检查一下sizeof是否有误即可：
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class Base{
public:
    static void* operator new(size_t size) throw(bad_alloc);
    static void* operator delete(void* rawMemory,size_t size) throw();
    ...
};
void* Base::operator delete(void* rawMemory,size_t size) throw();
    if(rawMemory==nullptr) return;
    if(size!=sizeof(Base)){
        ::operator delete(rawMemry);
        return;
    }
    ...//释放内存
    return;
}

总结

  1. operator new内部有一个死循环，并在其中尝试分配内存，如果它不能分配，则调用new-handler，同时它应该能够处理0 bytes申请。class member版本则应该处理“比正确大小大或者小的申请”。
  2. operator delete应该在收到nullptr时不做任何事，class版本还应该处理“比正确大小大或者小的申请”。