【編程語言】C++ 中的placement new

"placement new"? Embarrassed它 到底是什麼東東呀?我也是最近幾天才聽說,看來對於C++我還差很遠呀!placement new 是重載operator new的一個標準、全局的版本,它不能被自定義的版本代替(不像普通的operator new和operator delete能夠被替換成用戶自定義的版本)。

它的原型如下: 
void *operator new( size_t, void *p ) throw()  { return p; }

首先我們區分下幾個容易混淆的關鍵詞:new、operator new、placement new 
new和delete操作符我們應該都用過,它們是對中的內存進行申請和釋放,而這兩個都是不能被重載的。要實現不同的內存分配行爲,需要重載operator new,而不是new和delete。I dont know

看如下代碼: 
class MyClass {…}; 
MyClass * p=new MyClass;

這裏的new實際上是執行如下3個過程:


1. 調用operator new分配內存 ;2. 調用構造函數生成類對象;3. 返回相應指針。

operator new就像operator+一樣,是可以重載的,但是不能在全局對原型爲void operator new(size_t size)這個原型進行重載,一般只能在類中進行重載。如果類中沒有重載operator new,那麼調用的就是全局的::operator new來完成堆的分配。同理,operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重載的,一般你重載的其中一個,那麼最後把其餘的三個都重載一遍。

至於placement new纔是本文的重點。其實它也只是operator new的一個重載的版本,只是我們很少用到它。如果你想在已經分配的內存中創建一個對象,使用new時行不通的。也就是說placement new允許你在一個已經分配好的內存中(棧或者堆中)構造一個新的對象。原型中void*p實際上就是指向一個已經分配好的內存緩衝區的的首地址。

我們知道使用new操作符分配內存需要在堆中查找足夠大的剩餘空間,這個操作速度是很慢的,而且有可能出現無法分配內存的異常(空間不夠)。 placement new就可以解決這個問題。我們構造對象都是在一個預先準備好了的內存緩衝區中進行,不需要查找內存,內存分配的時間是常數;而且不會出現在程序運行中途 出現內存不足的異常。所以,placement new非常適合那些對時間要求比較高,長時間運行不希望被打斷的應用程序。

使用方法如下: 
1. 緩衝區提前分配 
可以使用堆的空間,也可以使用棧的空間,所以分配方式有如下兩種: 
class MyClass {…}; 
char *buf=new char[N*sizeof(MyClass)+sizeof(int)];或者char buf[N*sizeof(MyClass)+sizeof(int)];

2. 對象的構造 
MyClass * pClass=new(buf) MyClass;

3. 對象的銷燬 
一旦這個對象使用完畢,你必須顯式的調用類的析構函數進行銷燬對象。但此時內存空間不會被釋放,以便其他的對象的構造。 
pClass->~MyClass();

4. 內存的釋放 
如果緩衝區在堆中,那麼調用delete[] buf;進行內存的釋放;如果在棧中,那麼在其作用域內有效,跳出作用域,內存自動釋放。

注意:

  • 在C++標準中,對於placement operator new []有如下的說明: placement operator new[] needs implementation-defined amount of additional storage to save a size of array. 所以我們必須申請比原始對象大小多出sizeof(int)個字節來存放對象的個數,或者說數組的大小。
  • 使用方法第二步中的new纔是placement new,其實是沒有申請內存的,只是調用了構造函數,返回一個指向已經分配好的內存的一個指針,所以對象銷燬的時候不需要調用delete釋放空間,但必須調用析構函數銷燬對象。



placement new 是重載operator new 的一個標準、全局的版本,它不能夠被自定義的版本代替(不像普通版本的operator new 和 operator delete能夠被替換)。

void *operator new( size_t, void *p ) throw()     { return p; }

placement new的執行忽略了size_t參數,只返還第二個參數。其結果是允許用戶把一個對象放到一個特定的地方,達到調用構造函數的效果。

和其他普通的new不同的是,它在括號裏多了另外一個參數。比如:
Widget * p = new Widget; - - - - - - - - - //ordinary new 
pi = new (ptr) int; pi = new (ptr) int;     //placement new

括 號裏的參數ptr是一個指針,它指向一個內存緩衝器,placement new將在這個緩衝器上分配一個對象。Placement new的返回值是這 個被構造對象的地址(比如括號中的傳遞參數)。placement new主要適用於:在對時間要求非常高的應用程序中,因爲這些程序分配的時間是確定 的;長時間運行而不被打斷的程序;以及執行一個垃圾收集器 (garbage collector)。
    new 、operator new 和 placement new 區別
new :不能被重載,其行爲總是一致的。它先調用operator new分配內存,然後調用構造函數初始化那段內存。

operator new:要實現不同的內存分配行爲,應該重載operator new,而不是new。

delete和operator delete類似。

placement new:只是operator new重載的一個版本。它並不分配內存,只是返回指向已經分配好的某段內存的一個指針。因此不能刪除它,但需要調用對象的析構函數。
    new 操作符的執行過程
1. 調用operator new分配內存 ;
2. 調用構造函數生成類對象;
3. 返回相應指針。

operator new 就像operator+一樣,是可以重載的。如果類中沒有重載operator new,那麼調用的就是全局的::operator new來完成堆的分 配。同理,operator new[]、operator delete、operator delete[]也是可以重載的,其實 operator new也是operator new的一個重載的版本,只是很少用而已。如果你想在已經分配的內存中創建一個對象,使用new時行不通 的。也就是說placement new允許你在一個已經分配好的內存中(棧或者堆中)構造一個新的對象。原型中void*p實際上就是指向一個已經分配 好的內存緩衝區的的首地址。
    Placement new 存在的理由
1.用Placement new 解決buffer的問題

問 題描述:用new分配的數組緩衝時,由於調用了默認構造函數,因此執行效率上不佳。若沒有默認構造函數則會發生編譯時錯誤。如果你想在預分配的內存上創建 對象,用缺省的new操作符是行不通的。要解決這個問題,你可以用placement new構造。它允許你構造一個新對象到預分配的內存上。

2.增大時空效率的問題
 
使用new操作符分配內存需要在堆中查找足夠大的剩餘空間,顯然這個操作速度是很慢的,而且有可能出現無法分配內存的異常(空間不夠)。 
placement new 就可以解決這個問題。我們構造對象都是在一個預先準備好了的內存緩衝區中進行,不需要查找內存,內存分配的時間是常數;而且不會出現在程序運行中途出現內 存不足的異常。所以,placement new非常適合那些對時間要求比較高,長時間運行不希望被打斷的應用程序。
    使用步驟
在很多情況下,placement new的使用方法和其他普通的new有所不同。這裏提供了它的使用步驟。

第一步  緩存提前分配
有三種方式:
1.爲了保證通過placement new使用的緩存區的memory alignmen(內存隊列)正確準備,使用普通的new來分配它:在堆上進行分配

class Task ;

char * buff = new [sizeof(Task)]; //分配內存

(請注意auto或者static內存並非都正確地爲每一個對象類型排列,所以,你將不能以placement new使用它們。)

2.在棧上進行分配

class Task ;
char buf[N*sizeof(Task)]; //分配內存

3.還有一種方式,就是直接通過地址來使用。(必須是有意義的地址)

void* buf = reinterpret_cast<void*> (0xF00F);

第二步:對象的分配

在剛纔已分配的緩存區調用placement new來構造一個對象。

Task *ptask = new (buf) Task
第三步:使用
按照普通方式使用分配的對象:

ptask->memberfunction();

ptask-> member;

//...

第四步:對象的析構

一旦你使用完這個對象,你必須調用它的析構函數來毀滅它。按照下面的方式調用析構函數:

ptask->~Task(); //調用外在的析構函數

第五步:釋放

你可以反覆利用緩存並給它分配一個新的對象(重複步驟2,3,4)如果你不打算再次使用這個緩存,你可以象這樣釋放它:

delete [] buf;

跳過任何步驟就可能導致運行時間的崩潰,內存泄露,以及其它的意想不到的情況。如果你確實需要使用placement new,請認真遵循以上的步驟。
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