C++ Memory System Part1: new和delete

在深入探索自定义内存系统之前，我们需要了解一些基础的背景知识，这些知识点是我们接下来自定义内存系统的基础。所以第一部分，让我们来一起深入了解一下C++的new和delete家族，这其中有很多令人吃惊的巧妙设计，甚至有很多高级工程师都对其细节搞不清楚。

new operator and operator new

首先我们来看一个使用new的简单语句：

T* i = new T;

这是一个new operator最简单的用法，那么该操作符到底做了些什么呢？

• 首先，调用operator new为单个T分配内存
• 其次，在operator new返回的地址上调用T的构造函数，创建对象

如果T是C++的基础类型，或者POD，或者没有构造函数的类型，则不会调用构造函数，上面的语句就只是调用最简单的operator new，定义如下：

void* operator new(size_t bytes);

编译器会使用正确的字节大小来调用operator new，即sizeof(T).

到现在为止都还比较好理解，但是关于new operator的介绍还没有结束，还有一个版本的new operator称为placement new：

void* memoryAddress = (void*)0x100;
T* i = new (memoryAddress) T; // placement new

这是专门用来在特定的内存地址上构造对象的方法，也是唯一一个直接调用构造函数，而无需任何内存分配操作的方法。上面代码的new operator调用的是另一个重载的operator new函数：

void* operator new(size_t bytes, void* ptr);

该形式的operator new并没有分配任何内存，而是直接返回该指针。

placement new是一个非常强大的工具，因为利用它，我们可以重载我们自己的operator new，重载的唯一规则是operator new的第一个参数必须是size_t类型，编译器会自动传递该参数，并根据参数选择正确的operator new。

看下面这个例子：

void* operator new(size_t bytes, const char* file, int line)
{
  // allocate bytes
}

// calls operator new(sizeof(T), __FILE__, __LINE__) to allocate memory
T* i = new (__FILE__, __LINE__) T;

抛开全局operator new和类operator new的区别不谈，所有placement形式的new operator都可以归结为以下形式：

// calls operator new(sizeof(T), a, b, c, d) to allocate memory
T* i = new (a, b, c, d) T;

等价于：

T* i = new (operator new(sizeof(T), a, b, c, d)) T;

调用operator new的魔法是由编译器做了。此外，每一个重载的operator new都可以被直接调用。

我们也可以实现任意形式的重载，如果我们乐意，甚至可以使用模板：

template<class ALLOCATOR>
void* operator new(size_t bytes, ALLOCATOR& allocator, const char* file, int line)
{
  returnallocator.Allocate(bytes);
}

这种形式的重载我们在后面的自定义allocator时会遇到，使用该形式的placement new，内存分配就可以使用不同的allocator，例如：

T* i = new (allocator, __FILE__, __LINE__) T;

delete operator / operator delete

对前面new出来的实例调用delete operator时，将会首先调用对象的析构函数，然后调用operator delete删除内存。这点跟new的顺序刚好是反的。这里需要注意一点，与new不同的是，无论我们使用的是那种形式的new来创建实例，都会使用同一个版本的operator delete，看下面这个例子：

// calls operator new(sizeof(T), a, b, c, d)
// calls T::T()
T* i = new (a, b, c, d) T;

// calls T::~T()
// calls operator delete(void*)
delete i;

只有在调用operator new的过程中发生异常时，编译器才会去调用对应版本的delete，这样才能保证在返回到调用端时，内存被正确释放。如果你并没有定义匹配的delete则系统什么都不做，这就会导致内存泄漏。这也是为什么每一个重载的operator new操作符，都要有一个对应的operator delete。这部分知识在Effective C++第52条款中有详细的论述。

跟operator new一样，operator delete可以被直接调用，实例代码：

template<class ALLOCATOR>
voidoperator delete(void* ptr, ALLOCATOR& allocator, const char* file, int line)
{
  allocator.Free(ptr);
}

// call operator delete directly
operator delete(i, allocator, __FILE__, __LINE__);

这里要注意，如果你是直接调了operator delete，那么一定要记得在此之前手动调用对象的析构函数：

// call the destructor
i->~T();

// call operator delete directly
operator delete(i, allocator, __FILE__, __LINE__);

new[] / delete[]

到目前为止，我们只讲解了new和delete的非数组版本，它们还有一对为数组分配内存的版本：

new[] / delete[]

从这里开始，才是new和delete系列最有趣的地方，也是最容易被人忽略的地方，因为在这里包含了编译器的黑魔法。C++标准只是规定了new[]和delete[]应该做什么，但是没有说如何做，这如何实现就是编译器自己的事情了。

先来看一个简单的语句：

int* i = new int [];

上面的代码通过调用operator new[]为3个int分配了内存空间，因为int是一个内置类型，所以没有构造函数可以调用。像operator new一样，我们也可以重载operator new[]，实现一个placement语法的版本：

// our own version of operator new[]
void* operator new[](size_t bytes, const char* file, int line);

// calls the above operator new[]
int* i = new (__FILE__, __LINE__) int [];

delete[]和operator delete[]的行为跟delete和operator delete是一样的，我们也可以直接调用operator delete[]，但是必须记得手动调用析构函数。

但是，如果是非POD类型呢？来看一个例子：

structTest
{
  Test(void)
  {
    // do something
  }

  ~Test(void)
  {
    // do something
  }

  inta;
};

Test* i = new (__FILE__, __LINE__) Test [];

在上面的情况下，尽管sizeof(Test) == 4，我们分配了3个实例，但是operator new[]还是会使用一个16字节的参数来调用，为什么呢？多出的4个字节从哪里来的呢？

要想知道这是为什么，我们要先想想数组应该如何被删除：

delete[] i;

删除数组，编译器需要知道到底要删除多少个Test实例，否则的话它没办法挨个调用这些实例的析构函数，所以，为了得到这个数据，大部分的编译器是这么实现new[]的：

• 对N个类型为T的实例，operator new[]需要为数组分配sizeof(T)*N + 4 bytes的内存
• 将N存储在前4个字节
• 使用placement new从ptr + 4的位置开始，构造N个实例
• 返回ptr + 4处的地址给用户

最后一点非常重要：如果你重载了operator new[]，返回的内存地址为0x100，那么实例Test* i这个指针指向的位置则是0x104！！！这16个字节的内存布局如下：

0x100:        -> number of instances stored by the compiler-generated code

0x104: ?? ?? ?? ??    -> i[], Test* i
0x108: ?? ?? ?? ??    -> i[]
0x10c: ?? ?? ?? ??    -> i[]

当调用delete[]时，编译器会插入代码，从给定指针处减4个字节的位置读取实例的数量N，然后再反序调用析构函数。如果是内置类型或者POD，则没有这4个字节的内存，因为不需要调用析构函数。

不幸的是，这个编译器定义的行为给我们自己重载使用operator new,operator new[],operator delete,operator delete[]带来了问题，即使我们可以直接调用operator delete[]，也需要通过某种方法获取有多少个析构函数需要调用。

但是我们做不到！因为我们不知道编译器是否插入了额外的四个字节，这完全是根据各个编译器自己实现决定的，也许这样做可以，但也有可能会导致程序崩溃。

在了解了以上的知识后，我们可以在自定义的内存系统中，定义自己的allocator函数，这样就可以正确的处理简单的和数组形式的内存分配和释放，避免了直接重载operator delete[]的问题。同时可以在内存分配时插入更多有用的信息，如文件名，行号等调试信息，也可以定制更多高级特性，更多的内容可以看内存系统的第二部分。

参考link:

https://stoyannk.wordpress.com/2018/01/10/generic-memory-allocator-for-c-part-3/

https://bitsquid.blogspot.com/2010/09/custom-memory-allocation-in-c.html

https://blog.molecular-matters.com/