[GeekBand] C++ 内存分布—— new和delete重载的实现及分析

本文参考文献：GeekBand课堂内容，授课老师：侯捷

：深度探索C++对象模型（侯捷译）

：网络资料： http://www.leavesite.com/geekband-cpp-5.html

http://blog.csdn.net/wudaijun/article/details/9273339

本周的课题是：“ 为上周题目中的 Fruit和Apple 添加 构造函数与 析构函数， 并在构造函数与析构函数中打印控制台信息，观察构造和析枸调用过程。然后为Apple类重载::operator new和 ::operator delete，在控制台打印信息，并观察调用结果。”

虽然其中构造与析构调用过程上次代码里已经实现了，并且比现在这份还要完善一些。但做为开场白再讲一遍比较好！

首先，先看下 类的结构。Apple 类继承自基类Fruit

 //基类
 class Fruit
 {
 public:
     //使用自带的构造函数
     Fruit()
     {
         cout << "Call Fruit Constructor.this =  " <<this<< endl;
     }
     //打印变量内存地址
     void print(){}
     //虚函数的影响
     virtual void process(){}

     virtual ~Fruit()
     {
         cout << "Call Fruit Destructor = " << this << endl;
     }

 private:
     int no;
     double weight;
     char key;
 };

 //这里考虑自己本身的虚函数，及基类的虚函数
 class Apple : public Fruit
 {
 public:
     //使用默认的构造函数
     Apple()
     {
         cout << "Call Apple Constructor.this =  " << this << endl;
     };
     //打印成员数据
     void save(){}
     virtual void process(){}
     virtual ~Apple()
     {
         cout << "Call Apple Destructor.this = " << this << endl;
     }

     //测试二、抛出异常
     static void* operator new(size_t size);
     //测试三、没有抛出异常,此版本需要注释掉测试二
     //static void* operator new(size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_value);

     //测试四、带有调试信息的版本，此版本需要注释掉测试二、测试三
     //inline void* Apple::operator new(size_t size, const char* file, int line);

     //delete 版本
     static void  operator delete(void* ptr, size_t size) throw();

     //测试五、测试数组
     static void *operator new[](size_t size);
     static void operator delete[](void *ptr);

 private:
     int size;
     char type;
 };

那么问题来了，Apple 类和Fruit谁先构造、又谁先析构呢？进而思考，基类和子类谁更大一些？

众所周知，子类拥有父类的一切信息，而且子类有些信息更具体，比如鸟都有翅膀，这是共性。但是比如啄木鸟的嘴特别长，这就是特性。自然界是共性与特性的统一。

不过从哲学的角度来看，如“人是社会关系的总和”，讲的也是这个道理。

扯得有点远了，看图！所以构造时先构造内部，然后构造外部，析构时正好相反！

可以充分证明这个观点，还有问题的话，拷贝我上篇blog代码，可以有更详细的分析，这里就不展开讲了。毕竟只是开场白！

一、new和delete重载的实现及分析

      new：指我们在C++里通常用到的运算符，比如A* a = new A;  对于new来说，有new和::new之分，前者位于std

      operator new()：指对new的重载形式，它是一个函数，并不是运算符。对于operator new来说，分为全局重载和类重载，全局重载是void* ::operator new(size_t size)，在类中重载形式 void* A::operator new(size_t size)。还要注意的是这里的operator new()完成的操作一般只是分配内存，事实上系统默认的全局::operator new(size_t size)也只是调用malloc分配内存，并且返回一个void*指针。而构造函数的调用(如果需要)是在new运算符中完成的。

-----------wudaijun  blog

1、重载时，一个类为空怎么处理？

一个类中,如果什么数据都没有！打印结果却是1

class Empty
{
};

int main(int argc, char** argv)
 {
    std::cout << sizeof(Empty) << std::endl;
    return ;
}

所以我们为类进行new 重载时应该也要考虑到这一点。至于为什么是1，不是0，也而不是其他的数据。我没弄清楚。但根据调试结果来分析，

我们在重载应该考虑到这一点。

首先应该判断下size是否为0。有指针时也要判断指针是否为空。

inline void* Apple::operator new(size_t size)
{
    if (size == )
    {
        return malloc();
    }
    void *ptr = malloc(size);
    if (ptr)
    {
        cout << "Apple::size = " << size << "    Apple::Address  =  " << ptr << endl;
        return (Apple*)ptr;
    }

    else
    {
        throw bad_alloc();
    }
}

2、operator  new() 和 operator delete() 会自动转换为static 成员

由叶卡同学的blog中记录的 C++ Primer 557所示，成员operator new() 和 operator delete()会自动成为static成员。

因此，它们没有this指针，而且也不会修改物件内容，仅仅作为开辟空间、和清楚空间的作用！

3、operator new() 的三种形式：

throwing ()
void* operator new (std::size_t size) throw (std::bad_alloc);
nothrow ()
void* operator new (std::size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_value) throw();
placement ()
void* operator new (std::size_t size, void* ptr) throw();

第1、2种的区别 是有无抛出异常，其中有抛出异常的还可以进一步抛出信息，下面将会分析。

第3种 placement new，它也是对operator new的一个重载，定义于<new>中，它多接收一个ptr参数，但它只是简单地返回ptr。这里暂时没有详细分析，请同学自行查阅资料。（我上面的推荐资料里就有）

/*
测试二、抛出异常的版本
*/

inline void* Apple::operator new(size_t size)
{
    if (size == )
    {
        return malloc();
    }
    void *ptr = malloc(size);
    if (ptr)
    {
        cout << "Apple::size = " << size << "    Apple::Address  =  " << ptr << endl;
        return (Apple*)ptr;
    }

    else
    {
        throw bad_alloc();
    }
}

运行图如下：

从上图分析得出，Fruit的Size为32，Apple 的Size为40。与上述相对应。

/*
测试三、没有抛出异常的版本
*/

inline void* Apple:: operator new(size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_value)
{
	//即使是空类，大小也为1
	if (size == 0)
	{
		return malloc(1);
	}
	else
		std::cout << "call Apple::operator new nothrow" << std::endl;
		return malloc(size);
}

　　

这个版本是没有返回异常信息的版本

如图所示，New的过程中那些打印信息并没有显示。

new 这类信息往往会用在调试代码阶段。能比较方便的显示出行数及文件信息。

*
    测试四、抛出异常，并带有调试信息的版本
    此版本使用时，会对以上两个版本发生冲突，需要注释掉另外两个函数，及使用
*/

inline void* Apple::operator new(size_t size, const char* file, int line)
{
    //即使是空类，大小也为1
    if (size == )
    {
        return malloc();
    }
    void *ptr = malloc(size);
    if (ptr)
    {
        std::cout << "call A::operator new on file:" << file << "  line:" << line << std::endl;
        cout << "Apple::size = " << size << "    Apple::Address  =  " << ptr << endl;
        return (Apple*)ptr;
    }

    else {
        throw bad_alloc();
    }
}

在测试头部也要添加信息

//测试四、打开注释
//#define new new(__FILE__, __LINE__)  

如图所示，显示了文件、及行数信息，方便调试。

4、何时重载类中、全局的 operator  new()

    /*
        测试一、栈空间,使用自带的new 和全局new
    */

    Apple ptrApple;

    Fruit *ptr = new Fruit();
    delete ptr;
    Apple* ptr1 = new Apple();//Apple 是临时变量，所占空间是以new动态分配而得，并由p指向，占用空间为堆
    delete ptr1;
    

这里有两种方法使用Apple 类，第一种为栈调用的方法，第二种为堆调用的方法（自己malloc）。这两种方法调用new 和delete的位置不同。

如图所示, 这里实际上有几个步骤：

1、分配内存.

2、指针类型转换

3、调用构造函数

分配内存这一操作就是由operator new(size_t)来完成的，如果类A重载了operator new，那么将调用A::operator new(size_t )，如果没有重载，就调用::operator new(size_t )，

通过以上结果对比，作用域覆盖原则，即在里向外寻找operator new的重载时，只要找到operator new()函数就不再向外查找，如果参数符合则通过，如果参数不符合则报错，而不管全局是否还有相匹配的函数原型。

      既先查找类中的operator new（）和 operator  delete（），然后再执行全局operator new（）和 operator  delete（）。

5、多维数组的重载

/*
    测试五、类中重载new[] 和 delete[]
*/
inline void* Apple::operator new[](size_t size)
{
    //即使是空类，大小也为1
    if (size == )
    {
        return malloc();
    }
    cout << "This is Apple New[]! Now allocating space :" << size << "Byte!" << endl;
    return malloc(size);
}

inline void Apple::operator delete[](void *ptr)
{
    if (ptr)
    {
        cout << "This is Apple Delete[], Now free space!" << endl;
        free(ptr);
    }
    else
    {
        ptr = NULL;
    }
}

    Apple *ptr3 = new Apple[];
    cout << "ptr3[0] addr: " << ptr3 << endl;
    cout << "ptr3[1] addr: " << ptr3 +  << endl;
    cout << "ptr3[2] addr: " << ptr3 +  << endl;
    delete[] ptr3;
    ptr3 = NULL;

下面用图来解释下，（此图源于某blog内容，后面图保存了，却找不到来源，请作者勿怪，如有侵权，请联系我，谢谢）

delete的过程

烦请路过的朋友，批评指针。感谢网络的无私奉献者。                                                                                                                                                                                                  修改于   2016.08.15  17:28

内容修改中，8月15日晚11:30分前

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