条款8. 写operator new和operator delete时要遵循常规
自己重写operator new时(条款10解释了为什么有时要重写它),很重要的一点是函数提供的行为要和系统缺省的operator new一致。实际做起来也就是:要有正确的返回值;可用内存不够时要调用出错处理函数(见条款7);处理好0字节内存请求的情况。此外,还要避免不小心隐藏了标准形式的new,不过这是条款9的话题。
有关返回值的部分很简单。如果内存分配请求成功,就返回指向内存的指针;如果失败,则遵循条款7的规定抛出一个std::bad_alloc类型的异常。
但事情也不是那么简单。因为operator new实际上会不只一次地尝试着去分配内存,它要在每次失败后调用出错处理函数,还期望出错处理函数能想办法释放别处的内存。只有在指向出错处理函数的指针为空的情况下,operator new才抛出异常。
另外,C++标准要求,即使在请求分配0字节内存时,operator new也要返回一个合法指针。(实际上,这个听起来怪怪的要求确实给C++语言其它地方带来了简便)
这样,非类成员形式的operator new的伪代码看起来会象下面这样:
void * operator new(size_t size) // operator new还可能有其它参数
{
if (size == 0) { // 处理0字节请求时,
size = 1; // 把它当作1个字节请求来处理
}
while (1) {
分配size字节内存;
if (分配成功)
return (指向内存的指针);
// 分配不成功,找出当前出错处理函数
new_handler globalHandler = set_new_handler(0);
set_new_handler(globalHandler);
if (globalHandler) (*globalHandler)();
else throw std::bad_alloc();
}
}
处理零字节请求的技巧在于把它作为请求一个字节来处理。这看起来也很怪,但简单,合法,有效。而且,你又会多久遇到一次零字节请求的情况呢?
你又会奇怪上面的伪代码中为什么把出错处理函数置为0后又立即恢复。这是因为没有办法可以直接得到出错处理函数的指针,所以必须通过调用set_new_handler来找到。办法很笨但也有效。
条款7提到operator new内部包含一个无限循环,上面的代码清楚地说明了这一点——while (1)将导致无限循环。跳出循环的唯一办法是内存分配成功或出错处理函数完成了条款7所描述的事件中的一种:得到了更多的可用内存;安装了一个新的new-handler(出错处理函数);卸除了new-handler;抛出了一个std::bad_alloc或其派生类型的异常;或者返回失败。现在明白了为什么new-handler必须做这些工作中的一件。如果不做,operator new里面的循环就不会结束。
很多人没有认识到的一点是operator new经常会被子类继承。这会导致某些复杂性。上面的伪代码中,函数会去分配size字节的内存(除非size为0)。size很重要,因为它是传递给函数的参数。但是大多数针对类所写的operator new(包括条款10中的那种)都是只为特定的类设计的,不是为所有的类,也不是为它所有的子类设计的。这意味着,对于一个类X的operator new来说,函数内部的行为在涉及到对象的大小时,都是精确的sizeof(X):不会大也不会小。但由于存在继承,基类中的operator new可能会被调用去为一个子类对象分配内存:
class Base {
public:
static void * operator new(size_t size);
...
};
class Derived: public Base // Derived类没有声明operator new
{ ... }; //
Derived *p = new Derived; // 调用Base::operator new
如果Base类的operator new不想费功夫专门去处理这种情况——这种情况出现的可能性不大——那最简单的办法是把这个“错误”数量的内存分配请求转给标准operator new来处理,象下面这样:
void * Base::operator new(size_t size)
{
if (size != sizeof(Base)) // 如果数量“错误”,让标准operator new
return ::operator new(size); // 去处理这个请求
//
... // 否则处理这个请求
}
“停!”我听见你在叫,“你忘了检查一种虽然不合理但是有可能出现的一种情况——size有可能为零!”是的,我没检查,但拜托下次再叫出声的时候不要这么文绉绉的。:)但实际上检查还是做了,只不过融合到size != sizeof(Base)语句中了。C++标准很怪异,其中之一就是规定所以独立的(freestanding)类的大小都是非零值。所以sizeof(Base)永远不可能是零(即使base类没有成员),如果size为零,请求会转到::operator new,由它来以一种合理的方式对请求进行处理。(有趣的是,如果Base不是独立的类,sizeof(Base)有可能是零,详细说明参见"my article on counting objects")。
如果想控制基于类的数组的内存分配,必须实现operator new的数组形式——operator new[](这个函数常被称为“数组new”,因为想不出"operator new[]")该怎么发音)。写operator new[]时,要记住你面对的是“原始”内存,不能对数组里还不存在的对象进行任何操作。实际上,你甚至还不知道数组里有多少个对象,因为不知道每个对象有多大。基类的operator new[]会通过继承的方式被用来为子类对象的数组分配内存,而子类对象往往比基类要大。所以,不能想当然认为Base::operator new[]里的每个对象的大小都是sizeof(Base),也就是说,数组里对象的数量不一定就是(请求字节数)/sizeof(Base)。关于operator new[]的详细介绍参见条款M8。
重写operator new(和operator new[])时所有要遵循的常规就这些。对于operator delete(以及它的伙伴operator delete[]),情况更简单。所要记住的只是,C++保证删除空指针永远是安全的,所以你要充分地应用这一保证。下面是非类成员形式的operator delete的伪代码:
void operator delete(void *rawMemory)
{
if (rawMemory == 0) return; file://如果指针为空,返回
//
释放rawMemory指向的内存;
return;
}
这个函数的类成员版本也简单,只是还必须检查被删除的对象的大小。假设类的operator new将“错误”大小的分配请求转给::operator new,那么也必须将“错误”大小的删除请求转给::operator delete:
class Base { // 和前面一样,只是这里声明了
public: // operator delete
static void * operator new(size_t size);
static void operator delete(void *rawMemory, size_t size);
...
};
void Base::operator delete(void *rawMemory, size_t size)
{
if (rawMemory == 0) return; // 检查空指针
if (size != sizeof(Base)) { // 如果size"错误",
::operator delete(rawMemory); // 让标准operator来处理请求
return;
}
释放指向rawMemory的内存;
return;
}
可见,有关operator new和operator delete(以及他们的数组形式)的规定不是那么麻烦,重要的是必须遵守它。只要内存分配程序支持new-handler函数并正确地处理了零内存请求,就差不多了;如果内存释放程序又处理了空指针,那就没其他什么要做的了。至于在类成员版本的函数里增加继承支持,那将很快就可以完成。