單個class的new的重載
- 重載的 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符必須是類的靜態成員函數（爲什麼必須是靜態成員函數，這很好理解，因爲 new 操作符被調用的時候，對象還未構建）或者是全局函數，函數的原型如下：
- void* operator new(size_t size) throw(std::bad_alloc);
- // 這裏的 size 爲分配的內存的總大小
- void* operator new[](size_t size) throw(std::bad_alloc);
- void operator delete(void* p) throw();
- void operator delete[](void* p) throw();
- void operator delete(void* p, size_t size) throw();
- // 區別於 new[] 的參數 size，這裏的 size 並非釋放的內存的總大小
- void operator delete[](void* p, size_t size) throw();
另外，我們可以使用不同的參數來重載 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符，例如：
- // 第一個參數仍爲 size_t
- void* operator new(size_t size, const char* file, int line);
- // 此操作符的使用
- string* str = new(__FILE__, __LINE__) string;
重載全局的 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符會改變所有默認分配行爲（包括某個類的分配行爲），因此必須小心使用，如果兩個庫都 new 等進行了全局重載，那麼就會出現鏈接錯誤（duplicated symbol link error）。而在類中定義的 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符只會影響到本類以及派生類。
很多人完全沒有意識到 operator new、operator delete、operator new[]、operator delete[] 成員函數會被繼承（雖然它們是靜態函數）。有些時候，我們只想爲指定的類設置自定義的 operator new 成員函數，而不希望影響到子類的工作。《Effective C++ Third Edition》提供瞭如下的方案：- void * Base::operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
- {
- // 如果大小不爲基類大小
- if (size != sizeof(Base))
- // 調用標準的 new 操作符
- return ::operator new(size);
- 自定義大小爲基類大小的分配處理
- }
這樣處理的一個前提是：認爲子類的大小一定大於父類。
對於 operator new[] 來說，我們很難通過上面的方式檢查到底是父類還是子類調用了操作符。通過 operator new[] 操作符的參數，我們無法得知分配的元素的個數，無法得知分配的每個元素的大小。operator new[] 的參數 size_t 表明的內存分配的大小可能大於需要分配的元素的內存大小之和，因爲動態內存分配可能會分配額外的空間來保存數組元素的個數。
- 兼容默認的 new、delete 的錯誤處理方式
這不是個很簡單的事（詳細參考《Effective C++ Third Edition》 Item 51）。operator new 通常這樣編寫：- // 這裏並沒有考慮多線程訪問的情況
- void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
- {
- using namespace std;
- // size == 0 時 new 也必須返回一個合法的指針
- if (size == 0)
- size = 1;
- while (true) {
- 嘗試進行內存的分配
- if (內存分配成功)
- return (成功分配的內存的地址);
- // 內存分配失敗時，查找當前的 new-handling function
- // 因爲沒有直接獲取到 new-handling function 的辦法，因此只能這麼做
- new_handler globalHandler = set_new_handler(0);
- set_new_handler(globalHandler);
- // 如果存在 new-handling function 則調用
- if (globalHandler) (*globalHandler)();
- // 不存在 new-handling function 則拋出異常
- else throw std::bad_alloc();
- }
- }
這一些方面是我們需要注意的：operator new 可以接受 size 爲 0 的內存分配且返回一個有效的指針；如果存在 new-handling function 那麼在內存分配失敗時會調用它並且再次嘗試內存分配；如果不存在 new-handling function 失敗時拋出 bad_alloc 異常。
要注意的是，一旦設置了 new-handling function 內存分配就會無限循環進行下去，爲了避免無限循環的發生，new-handling function 必須做以下幾件事中的一件（詳細參考《Effective C++ Third Edition》 Item 49）：讓有更多內存可用、設置另一個能發揮作用的 new-handler、刪除當前的 new handler、拋出一個異常（bad_alloc 或者繼承於 bad_alloc）、直接調用 abort() 或者 exit() 等函數。對於 operator delete 的異常處理就簡單一些，只需要保證能夠安全的 delete 空指針即可：
- void operator delete(void *rawMemory) throw()
- {
- // 操作符可以接受空指針
- if (rawMemory == 0) return;
- 釋放內存
- }
多態的問題（詳細參考《ISO/IEC 14882》）
前面談到了 new、delete（new[]、delete[]）操作符的繼承，這裏額外討論一下多態的問題，顯然我們只需要討論 delete、delete[] 操作符：
- struct B {
- virtual ~B();
- void operator delete(void*, size_t);
- };
- struct D : B {
- void operator delete(void*);
- };
- void f()
- {
- B* bp = new D;
- delete bp; //1: uses D::operator delete(void*)
- }
通過上面的例子，我們可以看到，delete 時正確的調用了 D 的 operator delete 操作符。但是同樣的，對於 delete[] 操作符工作就不正常了（因爲對於 delete[] 操作符的檢查是靜態的）：
- struct B {
- virtual ~B();
- void operator delete[](void*, size_t);
- };
- struct D : B {
- void operator delete[](void*, size_t);
- };
- void f(int i)
- {
- D* dp = new D[i];
- delete [] dp; //uses D::operator delete[](void*, size_t)
- B* bp = new D[i];
- delete[] bp; //undefined behavior
- }
全局new的重載
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#include
"iostream"#include
"malloc.h"using namespace std;void*
operator new(unsigned
int size){ if(size
== 0) size
= 1; void *res;
for(;;)
{
//allocate
memory block res
= malloc(size);
//if
successful allocation, return pointer to memory if(res)
break;
//call
installed new handler }
cout<<"global
new Override"<<endl; return res;
}class A{public: int a;};class B{public:
char b;};int main(){ A*
pa = new A();
B*
pb = new B(); delete pa; delete pb; return 0;} |
下面代碼有一些不同的地方
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#include
"iostream"#include
"malloc.h"using namespace std;void*
operator new(unsigned
int size){ if(size
== 0) size
= 1; void *res;
for(;;)
{
//allocate
memory block res
= malloc(size);
//if
successful allocation, return pointer to memory if(res)
break;
//call
installed new handler }
cout<<"global
new Override"<<endl; return res;
}class A{public: int a; A(){cout<<"A
construtor"<<endl;} A(int i){cout<<"A
construtor int i "<<endl;a=i;}};class B{public:
char b;};int main(){ A*
pa = new A(2);
B*
pb = new B(); delete pa; delete pb; return 0;} |
看到重載new後並不會阻止調用構造函數
所以new的過程其實分爲兩個步驟 一個是調用分配內存，一個是調用構造函數。
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"iostream"#include
"malloc.h"using namespace std;void*
operator new(unsigned
int size){ if(size
== 0) size
= 1; void *res;
for(;;)
{
//allocate
memory block res
= malloc(size);
//if
successful allocation, return pointer to memory if(res)
break;
//call
installed new handler }
cout<<"global
new Override"<<endl; return res;
}class A{public: int a; A(){cout<<"A
construtor"<<endl;} A(int i){cout<<"A
construtor int i "<<endl;a=i;} void*
operator new(unsigned
int size){ cout<<"class
new Override"<<endl; return ::operator
new(size); }};class B{public:
char b;};int main(){ A*
pa = new A;
B*
pb = new B(); delete pa; delete pb; return 0;} |
觀點：
是否應該爲單獨的class重載new
與全局 ::operator new() 不同，per-class operator new() 和 operator delete () 的影響面要小得多，它隻影響本 class 及其派生類。似乎重載 member operator new() 是可行的。我對此持反對態度。
如果一個 class Node 需要重載 member operator new()，說明它用到了特殊的內存分配策略，常見的情況是使用了內存池或對象池。我寧願把這一事實明顯地擺出來，而不是改變 new Node 的默認行爲。具體地說，是用 factory 來創建對象，比如 static Node* Node::createNode() 或者 static shared_ptr Node::createNode();。
這可以歸結爲最小驚訝原則：如果我在代碼裏讀到 Node* p = new Node，我會認爲它在 heap 上分配了內存，如果 Node class 重載了 member operator new()，那麼我要事先仔細閱讀 node.h 才能發現其實這行代碼使用了私有的內存池。爲什麼不寫得明確一點呢？寫成 Node* p = Node::createNode()，那麼我能猜到 Node::createNode() 肯定做了什麼與 new Node 不一樣的事情，免得將來大吃一驚。
The Zen of Python 說 explicit is better than implicit，我深信不疑。
是否應該重載全局的new
我們常常會設法優化性能，如果 profiling 表明 hot spot 在內存分配和釋放上，重載全局的 ::operator new() 和 ::operator delete() 似乎是一個一勞永逸好辦法（以下簡寫爲“重載 ::operator new()”），本文試圖說明這個辦法往往行不通。
如果只考慮分配和釋放，內存管理基本要求是“不重不漏”：既不重複 delete，也不漏掉 delete。也就說我們常說的 new/delete 要配對，“配對”不僅是個數相等，還隱含了 new 和 delete 的調用本身要匹配，不要“東家借的東西西家還”。例如：
- 用系統默認的 malloc() 分配的內存要交給系統默認的 free() 去釋放；
- 用系統默認的 new 表達式創建的對象要交給系統默認的 delete 表達式去析構並釋放；
- 用系統默認的 new[] 表達式創建的對象要交給系統默認的 delete[] 表達式去析構並釋放；
- 用系統默認的 ::operator new() 分配的的內存要交給系統默認的 ::operator delete() 去釋放；
- 用 placement new 創建的對象要用 placement delete （爲了表述方便，姑且這麼說吧）去析構（其實就是直接調用析構函數）；
- 從某個內存池 A 分配的內存要還給這個內存池。
- 如果定製 new/delete，那麼要按規矩來。見 Effective C++ 相關條款。
做到以上這些不難，是每個 C++ 開發人員的基本功。不過，如果你想重載全局的 ::operator new()，事情就麻煩了。
重載 ::operator new() 的理由
Effective C++ 第三版第 50 條列舉了定製 new/delete 的幾點理由：
- 檢測代碼中的內存錯誤
- 優化性能
- 獲得內存使用的統計數據
這些都是正當的需求，文末我們將會看到，不重載 ::operator new() 也能達到同樣的目的。
::operator new() 的兩種重載方式
1. 不改變其簽名，無縫直接替換系統原有的版本，例如：
#include
void* operator new(size_t size);
void operator delete(void* p);
用這種方式的重載，使用方不需要包含任何特殊的頭文件，也就是說不需要看見這兩個函數聲明。“性能優化”通常用這種方式。
科普：簽名------ 方法簽名由方法名稱和一個參數列表（方法的參數的順序和類型）組成。
2. 增加新的參數，調用時也提供這些額外的參數，例如：
void* operator new(size_t size, const char* file, int line); // 其返回的指針必須能被普通的 ::operator delete(void*) 釋放
void operator delete(void* p, const char* file, int line); // 這個函數只在析構函數拋異常的情況下才會被調用
然後用的時候是
Foo* p = new (__FILE, __LINE__) Foo; // 這樣能跟蹤是哪個文件哪一行代碼分配的內存
我們也可以用宏替換 new 來節省打字。用這第二種方式重載，使用方需要看到這兩個函數聲明，也就是說要主動包含你提供的頭文件。“檢測內存錯誤”和“統計內存使用情況”通常會用這種方式重載。當然，這不是絕對的。
在學習 C++ 的階段，每個人都可以寫個一兩百行的程序來驗證教科書上的說法，重載 ::operator new() 在這樣的玩具程序裏邊不會造成什麼麻煩。
不過，我認爲在現實的產品開發中，重載 ::operator new() 乃是下策，我們有更簡單安全的辦法來到達以上目標。
現實的開發環境
作爲 C++ 應用程序的開發人員，在編寫稍具規模的程序時，我們通常會用到一些 library。我們可以根據 library 的提供方把它們大致分爲這麼幾大類：
- C 語言的標準庫，也包括 Linux 編程環境提供的 Posix 系列函數。
- 第三方的 C 語言庫，例如 OpenSSL。
- C++ 語言的標準庫，主要是 STL。（我想沒有人在產品中使用 IOStream 吧？）
- 第三方的通用 C++ 庫，例如 Boost.Regex，或者某款 XML 庫。
- 公司其他團隊的人開發的內部基礎 C++ 庫，比如網絡通信和日誌等基礎設施。
- 本項目組的同事自己開發的針對本應用的基礎庫，比如某三維模型的仿射變換模塊。
在使用這些 library 的時候，不可避免地要在各個 library 之間交換數據。比方說 library A 的輸出作爲 library B 的輸入，而 library A 的輸出本身常常會用到動態分配的內存（比如 std::vector）。
如果所有的 C++ library 都用同一套內存分配器（就是系統默認的 new/delete ），那麼內存的釋放就很方便，直接交給 delete 去釋放就行。如果不是這樣，那就得時時刻刻記住“這一塊內存是屬於哪個分配器，是系統默認的還是我們定製的，釋放的時候不要還錯了地方”。
（由於 C 語言不像 C++ 一樣提過了那麼多的定製性，C library 通常都會默認直接用 malloc/free 來分配和釋放內存，不存在上面提到的“內存還錯地方”問題。或者有的考慮更全面的 C library 會讓你註冊兩個函數，用於它內部分配和釋放內存，這就就能完全掌控該 library 的內存使用。
但是，如果重載了 ::operator new()，事情恐怕就沒有這麼簡單了。
重載 ::operator new() 的困境
首先，重載 ::operator new() 不會給 C 語言的庫帶來任何麻煩，當然，重載它得到的三點好處也無法讓 C 語言的庫享受到。
以下僅考慮 C++ library 和 C++ 主程序。
規則 1：絕對不能在 library 裏重載 ::operator new()
如果你是某個 library 的作者，你的 library 要提供給別人使用，那麼你無權重載全局 ::operator new(size_t) （注意這是上面提到的第一種重載方式），因爲這非常具有侵略性：任何用到你的 library 的程序都被迫使用了你重載的 ::operator new()，而別人很可能不願意這麼做。另外，如果有兩個 library 都試圖重載 ::operator new(size_t)，那麼它們會打架，我估計會發生 duplicated symbol link error。乾脆，作爲 library 的編寫者，大家都不要重載 ::operator new(size_t) 好了。
那麼第二種重載方式呢？首先 ，::operator new(size_t size, const char* file, int line) 這種方式得到的 void* 指針必須同時能被 ::operator delete(void*) 和 ::operator delete(void* p, const char* file, int line) 這兩個函數釋放。這時候你需要決定，你的 ::operator new(size_t size, const char* file, int line) 返回的指針是不是兼容系統默認的 ::operator delete(void*)。
- 如果不兼容（也就是說不能用系統默認的 ::operator delete(void*) 來釋放內存），那麼你得重載 ::operator delete(void*)，讓它的行爲與你的 operator new(size_t size, const char* file, int line) 匹配。一旦你決定重載 ::operator delete(void*)，那麼你必須重載 ::operator new(size_t)，這就回到了情況 1：你無權重載全局 ::operator new(size_t)。
- 如果選擇兼容系統默認的 ::operator delete(void*)，那麼你在 operator new(size_t size, const char* file, int line) 裏能做的事情非常有限，比方說你不能額外動態分配內存來做 house keeping 或保存統計數據（無論顯示還是隱式），因爲系統默認的 ::operator delete(void*) 不會釋放你額外分配的內存。（這裏隱式分配內存指的是往 std::map<> 這樣的容器裏添加元素。）
看到這裏估計很多人已經暈了，但這還沒完。
其次 ，在 library 裏重載 operator new(size_t size, const char* file, int line) 還涉及到你的重載要不要暴露給 library 的使用者（其他 library 或主程序）。這裏“暴露”有兩層意思：1) 包含你的頭文件的代碼會不會用你重載的 ::operator new()，2) 重載之後的 ::operator new() 分配的內存能不能在你的 library 之外被安全地釋放。如果不行，那麼你是不是要暴露某個接口函數來讓使用者安全地釋放內存？或者返回 shared_ptr ，利用其“捕獲”deleter 的特性？聽上去好像挺複雜？這裏就不一一展開討論了，總之，作爲 library 的作者，絕對不要動“重載 operator new()”的念頭。
事實 2：在主程序裏重載 ::operator new() 作用不大
這不是一條規則，而是我試圖說明這麼做沒有多大意義。
如果用第一種方式重載全局 ::operator new(size_t)，會影響本程序用到的所有 C++ library，這麼做或許不會有什麼問題，不過我建議你使用下一節介紹的更簡單的“替代辦法”。
如果用第二種方式重載 ::operator new(size_t size, const char* file, int line)，那麼你的行爲是否惠及本程序用到的其他 C++ library 呢？比方說你要不要統計 C++ library 中的內存使用情況？如果某個 library 會返回它自己用 new 分配的內存和對象，讓你用完之後自己釋放，那麼是否打算對錯誤釋放內存做檢查？
C++ library 從代碼組織上有兩種形式：1) 以頭文件方式提供（如以 STL 和 Boost 爲代表的模板庫）；2) 以頭文件+二進制庫文件方式提供（大多數非模板庫以此方式發佈）。
對於純以頭文件方式實現的 library，那麼你可以在你的程序的每個 .cpp 文件的第一行包含重載 ::operator new 的頭文件，這樣程序裏用到的其他 C++ library 也會轉而使用你的 ::operator new 來分配內存。當然這是一種相當有侵略性的做法，如果運氣好，編譯和運行都沒問題；如果運氣差一點，可能會遇到編譯錯誤，這其實還不算壞事；運氣更差一點，編譯沒有錯誤，運行的時候時不時出現非法訪問，導致 segment fault；或者在某些情況下你定製的分配策略與 library 有衝突，內存數據損壞，出現莫名其妙的行爲。
對於以庫文件方式實現的 library，這麼做並不能讓其受惠，因爲 library 的源文件已經編譯成了二進制代碼，它不會調用你新重載的 ::operator new（想想看，已經編譯的二進制代碼怎麼可能提供額外的 new (__FILE__, __LINE__) 參數呢？）更麻煩的是，如果某些頭文件有 inline function，還會引起詭異的“串擾”。即 library 有的部分用了你的分配器，有的部分用了系統默認的分配器，然後在釋放內存的時候沒有給對地方，造成分配器的數據結構被破壞。
總之，第二種重載方式看似功能更豐富，但其實與程序裏使用的其他 C++ library 很難無縫配合。
綜上，對於現實生活中的 C++ 項目，重載 ::operator new() 幾乎沒有用武之地，因爲很難處理好與程序所用的 C++ library 的關係，畢竟大多數 library 在設計的時候沒有考慮到你會重載 ::operator new() 並強塞給它。
如果確實需要定製內存分配，該如何辦？
替代辦法
很簡單，替換 malloc。如果需要，直接從 malloc 層面入手，通過 LD_PRELOAD 來加載一個 .so，其中有 malloc/free 的替代實現(drop-in replacement)，這樣能同時爲 C 和 C++ 代碼服務，而且避免 C++ 重載 ::operator new() 的陰暗角落。
對於“檢測內存錯誤”這一用法，我們可以用 valgrind 或者 dmalloc 或者 efence 來達到相同的目的，專業的除錯工具比自己山寨一個內存檢查器要靠譜。
對於“統計內存使用數據”，替換 malloc 同樣能得到足夠的信息，因爲我們可以用 backtrace() 函數來獲得調用棧，這比 new (__FILE__, __LINE__) 的信息更豐富。比方說你通過分析 (__FILE__, __LINE__) 發現 std::string 大量分配釋放內存，有超出預期的開銷，但是你卻不知道代碼裏哪一部分在反覆創建和銷燬 std::string 對象，因爲 (__FILE__, __LINE__) 只能告訴你最內層的調用函數。用 backtrace() 能找到真正的發起調用者。
對於“性能優化”這一用法，我認爲這目前的多線程開發中，自己實現一個能打敗系統默認的 malloc 的內存分配器是不現實的。一個通用的內存分配器本來就有相當的難度，爲多線程程序實現一個安全和高效的通用（全局）內存分配器超出了一般開發人員的能力。不如使用現有的針對多核多線程優化的 malloc，例如 Google tcmalloc 和Intel TBB 2.2 裏的內存分配器 。好在這些 allocator 都不是侵入式的，也無須重載 ::operator new()。
總結：重載 ::operator new() 或許在某些臨時的場合能應個急，但是不應該作爲一種策略來使用。如果需要，我們可以從 malloc 層面入手，徹底而全面地替換內存分配器。