C++中的内存分配

C++提供下面两种方法分配和释放未构造的原始内存

（1）allocator 类，它提供可感知类型的内存分配

（2）标准库中的 operator new 和 operator delete，它们分配和释放需要大小的原始未类型化的内存

 

C++ 还提供不同的方法在原始内存中构造和撤销对象

（1)std::allocator<T>::construct 在未构造内存中初始化对象，std::allocator<T>::destroy 在对象上运行适当的析构函数。

（2）定位 new 表达式（ placement new expression）,接受指向未构造内存的指针，并在该空间中初始化一个对象或一个数组。

（3）直接调用析构函数来撤销对象

（4）算法 uninitialized_fill 和 uninitialized_copy 像 fill 算法和 copy 算法一样执行，除了它们在目的地构造对象而不给对象赋值之外。

std::allocator<T>

allocator类将内存的分配及对象构造分开。分配及释放分别是 allocate 和 deallocate 。构造和析构分别是 construct 和 destroy。

std::vector<T>

标准库中的 vector 是一个动态数组。在使用时，vector 预先分配一块内存，当数据增长到预先分配的内存不够使用时，vector 采取的策略是重新分配 2 倍于当前 vector 容量大小的内存，并把所有数据复制到新地址处，旧地址所有数据进行析构，最后将这块旧的内存释放。

1. template<class T>
   class vector
   {
   public:
          vector():elements(0),first_free(0),end(0){}
          void push_back(const T&);
          //…
   private:
          static std::allocator<T> alloc;
          void reallocate();
          T* elements;
          T* first_free;
          T* end;
          //…
   };

   

elements 指向数组的第一个元素，first_free 指向第一个空闲的位置，end 指向数组最一个元素的下一个元素。

std::vector<T>::push_back(const T& t)

1. template <class T>
   void vector<T>::push_back(const T& t)
   {
       //are we out of space
       if(first_free == end)
           reallocate();// gets more space and copies existing elements to it
       alloc.construct(first_free,t);
       ++first_free;
   }
   template <class T>
   void vector<T>::reallocate()
   {
       std::ptrdiff_t size = first_free – elements;
       std::ptrdiff_t newcapacity = 2* max(size,1);
    
       T* newelements = alloc.allocate(newcapacity);
    
       uninitialized_copy(elements,first_free,newelements);
    
       for(T *p = first_free; p != elements;}
           alloc.destroy(--p);
    
       if(elements)
           alloc.deallocate(elements,end-elements);
       elements = newelements;
       first_free = elements + size;
       end = elements + newcapacity;
   }

    

 

operator new 函数和 operator delete 函数

 

理解 new 表达式

1. //new expression
   string *sp =new string(“initialized”);

   首先，该表达式调用名为 operator new 的标准库函数，分配足够大的原始的未类型化的内存；

接下来，运行该类型的一个构造函数，用指定初始化式构造对象；

最后，返回指向新分配并构造的对象的指针

 

1. delete sp;

   首先，对 sp 指向的对象运行适当的析构函数；

然后，通过调用名为 operator delete 的标准库函数释放该对象所用内存

 

operator new 和 operator delete 接口

1. void*operator new(size_t);
   void*operator new[](size_t);
   void*operator new(std::size_t size,void* ptr)throw();//placement
    
   void*operator delete(void*);
   void*operator delete[](void*);

    

与 allocator 类的 allocate 和 deallocate 成员类似。

 

但是，operator new 和 operator delete 在 void* 指针而不是类型化的指针上进行操作。这就意味着，allocate 成员分配类型化的内存，不必计算以字节为单位的所需内存量，它们也可以避免对 operator new 的返回值进行强制类型转换

 

placement new 定位 new 表达式

 

placement new 在已分配的原始内存中初始化一个对象。它与 new 的其它版本的不同之处在于，它不分配内存。

 

定位 new 表达式的形式是：

new (place_address) type

new (place_address) type (initializer-list)

 

例：

1. std::allocator<std::string> alloc;
   string *sp = alloc.allocate(2);// allocate space to hold 2 strings
   new(sp) string(b,e);
   alloc.construct(sp +1， string(b,e));

    

总结

 

类特定的 new 和 delete

默认情况下， new 表达式通过调用由标准库定义的 operator new 版本分配内存。通过定义自己的名为 operator new 和 operator delete 的成员，类可以管理用于自身类型的内存。

 

编译器看到类类型的 new 或 delete 表达式的时候，它查看该类是否有 operator new 或  operator delete 成员，如果类定义（或者继承）了自己的成员 new 和 delete 函数，则使用那些函数为对象分配和释放内存；否则，调用这些函数的标准库版本。

 

一个内存分配器基类

通用策略：

预先分配一块原始内存来保存未构造的对象，创建新元素时，可以在一个预先分配的对象中构造；释放元素的时候，将它们放回预先分配对象的块中，而不是将内存实际返回给操作系统。

 

这种策略常被称为维持一个自由列表(freelist)。可以将自由列表实现为已分配但未构造的对象的链表。

 

1. template<class T>
   class CachedObj
   {
   public:
              void* operator new(std::size_t);
              void* operator delete(void*, std::size_t);
              virtual ~CachedObj(){}
   protected:
              T* next;
   private:
              static void add_to_freelist(T*);
              static std::allocator<T> alloc_mem;
              static T* freeStore;
              static const std::size_t chunk;
   }

    

CacheObj 只是分配和管理已分配但未构造对象的自由列表。

 

定义 operator new，返回自由列表的下一个元素，并将该元素从自由列表中删除。当自由列表为空的时候，operator new 将分配新的原始内存。

定义 operator delete，在撤销对象时将元素放回自由列表。

 

实现：

1. template<class T>
   void*CachedObj<T>::operator new(size_t sz)
   {
       if(sz != sizeof(T))  return nullptr;
       if(!freeStore)
       {
             T* array = alloc_mem.allocate(chunk);
              for(size_t i =0; i != chunk;++i)
                        add_to_freelist(&array[i]);
        }
        T*p = freeStore;
        freeStore = freeSore->CachedObj<T>::next;
        return p;
   }
   template<class T>
   void CachedObj<T>::add_to_freelist(T*p)
   {
      p->CachedObj<T>::next = freeStore;
      freeStore = p;
   }
   template<class T>
   void CachedObj<T>::operator delete(void*p)
   {
       if(p != 0)
              add_to_freelist(static_cast<T*>(p));
   }

    

 

CachedObj 其实很像 linux 的链表。除掉 private 的 static 变量和一个虚表的指针，CachedObj 其实只维护一个 T* next。它的内存布局像这样：

当继承 CachedObj 类的时候，用来实例化 CachedObj 类的模板类型将是派生类型本身。

 

其实就是利用模板很巧妙地把 next 指针的类型设置成子类的类型。实例化出来的类仿佛本就是一个类，没有两个类拼凑的感觉，天衣无缝。 

 

例如：

1. template<classType>
   class QueueItem:
   publicCachedObj<QueueItem<Type>>{};

    

QueueItem 继承自 CachedObj，它的内存布局类似这样：

来自为知笔记(Wiz)