条款十: 如果写了operator new就要同时写operator delete

为什么有必要写自己的operator new和operator delete？

答案通常是：为了效率。缺省的operator new和operator delete具有非常好的通用性，它的这种灵活性也使得在某些特定的场合下，可以进一步改善它的性能。尤其在那些需要动态分配大量的但很小的对象的应用程序里，情况更是如此。

例如有这样一个表示飞机的类：类airplane只包含一个指针，它指向的是飞机对象的实际描述(此技术在条款34进行说明)：

class airplanerep { ... };      // 表示一个飞机对象
                                // 
class airplane {
public:
  ...
private:
  airplanerep *rep;             // 指向实际描述
};

一个airplane对象并不大，它只包含一个指针（正如条款14和m24所说明的，如果airplane类声明了虚函数，会隐式包含第二个指针）。但当调用operator new来分配一个airplane对象时，得到的内存可能要比存储这个指针（或一对指针）所需要的要多。之所以会产生这种看起来很奇怪的行为，在于operator new和operator delete之间需要互相传递信息。

因为缺省版本的operator new是一种通用型的内存分配器，它必须可以分配任意大小的内存块。同样，operator delete也要可以释放任意大小的内存块。operator delete想弄清它要释放的内存有多大，就必须知道当初operator new分配的内存有多大。有一种常用的方法可以让operator new来告诉operator delete当初分配的内存大小是多少，就是在它所返回的内存里预先附带一些额外信息，用来指明被分配的内存块的大小。也就是说，当你写了下面的语句，

airplane *pa = new airplane;

你不会得到一块看起来象这样的内存块：

    pa——> airplane对象的内存

而是得到象这样的内存块：

    pa——> 内存块大小数据 + airplane对象的内存

如果软件运行在一个内存很宝贵的环境中，就承受不起这种奢侈的内存分配方案了。为airplane类专门写一个operator new，就可以利用每个airplane的大小都相等的特点，不必在每个分配的内存块上加上附带信息了。

具体来说，有这样一个方法来实现你的自定义的operator new：先让缺省operator new分配一些大块的原始内存，每块的大小都足以容纳很多个airplane对象。airplane对象的内存块就取自这些大的内存块。当前没被使用的内存块被组织成链表——称为自由链表——以备未来airplane使用。听起来好象每个对象都要承担一个next域的开销（用于支持链表），但不会：rep域的空间也被用来存储next指针（因为只是作为airplane对象来使用的内存块才需要rep指针；同样，只有没作为airplane对象使用的内存块才需要next指针），这可以用union来实现。

具体实现时，就要修改airplane的定义，从而支持自定义的内存管理。可以这么做：

class airplane {           // 修改后的类 — 支持自定义的内存管理
public:                    // 

  static void * operator new(size_t size);

  ...

private:
  union {
    airplanerep *rep;      // 用于被使用的对象
    airplane *next;        // 用于没被使用的（在自由链表中）对象
  };

  // 类的常量，指定一个大的内存块中放多少个
  // airplane对象，在后面初始化
  static const int block_size;

  static airplane *headoffreelist;//链表第一个结点

};

上面的代码增加了的几个声明：一个operator new函数，一个联合（使得rep和next域占用同样的空间），一个常量（指定大内存块的大小），一个静态指针（跟踪自由链表的表头）。表头指针声明为静态成员很重要，因为整个类只有一个自由链表，而不是每个airplane对象都有。

下面该写operator new函数了：

void * airplane::operator new(size_t size)
{
  // 把“错误”大小的请求转给::operator new()处理;
  // 详见条款8
  if (size != sizeof(airplane))
    return ::operator new(size);

  airplane *p =           // p指向自由链表的表头 
    headoffreelist;       // 

  // p 若合法，则将表头移动到它的下一个元素
  // 
  if (p)
    headoffreelist = p->next;

  else {
    // 自由链表为空，则分配一个大的内存块，
    // 可以容纳block_size个airplane对象
    airplane *newblock =
      static_cast<airplane*>(::operator new(block_size *
                                            sizeof(airplane)));

    // 将每个小内存块链接起来形成一个新的自由链表
    // 跳过第0个元素，因为它要被返回给operator new的调用者
    // 
    for (int i = 1; i < block_size-1; ++i)
      newblock[i].next = &newblock[i+1];

    // 用空指针结束链表
    newblock[block_size-1].next = 0;

    // p 设为表的头部，headoffreelist指向的
    // 内存块紧跟其后
    p = newblock;
    headoffreelist = &newblock[1];
  }

  return p;
}

有了operator new，下面要做的就是给出airplane的静态数据成员的定义：

airplane *airplane::headoffreelist;                                       
const int airplane::block_size = 512;    

没必要显式地将headoffreelist设置为空指针，因为静态成员的初始值都被缺省设为0。block_size决定了要从::operator new获得多大的内存块。

下面我们将讨论operator delete。还记得operator delete吗？本条款就是关于operator delete的讨论。但直到现在为止，airplane类只声明了operator new，还没声明operator delete。想想如果写了下面的代码会发生什么:

airplane *pa = new airplane;        // 调用 airplane::operator new ...

delete pa;                          // 调用 ::operator delete

问题出在operator new（在airplane里定义的那个）返回了一个不带头信息的内存的指针，而operator delete（缺省的那个）却假设传给它的内存包含头信息。这就是悲剧产生的原因。

这个例子说明了一个普遍原则：operator new和operator delete必须同时写，这样才不会出现不同的假设。如果写了一个自己的内存分配程序，就要同时写一个释放程序。

因而，继续设计airplane类如下：

class airplane {        // 和前面的一样，只不过增加了一个
public:                 // operator delete的声明
  ...

  static void operator delete(void *deadobject,
                              size_t size);

};

// 传给operator delete的是一个内存块, 如果
// 其大小正确，就加到自由内存块链表的最前面
// 
void airplane::operator delete(void *deadobject,
                               size_t size)
{
  if (deadobject == 0) return;         // 见条款 8

  if (size != sizeof(airplane))     {  // 见条款 8
    ::operator delete(deadobject);
    return;
  }

  airplane *carcass =
    static_cast<airplane*>(deadobject);

  carcass->next = headoffreelist;
  headoffreelist = carcass;
}

引起内存泄露的原因在于内存分配后指向内存的指针丢失了。如果没有垃圾处理或其他语言之外的机制，这些内存就不会被收回。但上面的设计没有内存泄露，因为它决不会出现内存指针丢失的情况。每个大内存块首先被分成airplane大小的小块，然后这些小块被放在自由链表上。当客户调用airplane::operator new时，小块被自由链表移除，客户得到指向小块的指针。当客户调用operator delete时，小块被放回到自由链表上。采用这种设计，所有的内存块要不被airplane对象使用（这种情况下，是由客户来负责避免内存泄露），要不就在自由链表上（这种情况下内存块有指针）。所以说这里没有内存泄露。

然而确实，::operator new返回的内存块是从来没有被airplane::operator delete释放，这个内存块有个名字，叫内存池。但内存泄漏和内存池有一个重要的不同之处。内存泄漏会无限地增长，即使客户循规蹈矩；而内存池的大小决不会超过客户请求内存的最大值。

实际开发中，你会经常要给许多不同的类实现基于内存池的功能。下面简单给出了一个pool类的最小接口（见条款18），pool类的每个对象是某类对象（其大小在pool的构造函数里指定）的内存分配器。

class pool {
public:
  pool(size_t n);                      // 为大小为n的对象创建
                                       // 一个分配器


  void * alloc(size_t n)  ;            // 为一个对象分配足够内存
                                       // 遵循条款8的operator new常规

  void free(  void *p, size_t n);      // 将p所指的内存返回到内存池；
                                       // 遵循条款8的operator delete常规

  ~pool();                             // 释放内存池中全部内存

};

有了这个pool类，即使java程序员也可以不费吹灰之力地在airplane类里增加自己的内存管理功能：

class airplane {
public:

  ...                               // 普通airplane功能

  static void * operator new(size_t size);
  static void operator delete(void *p, size_t size);

private:
  airplanerep *rep;                 // 指向实际描述的指针
  static pool mempool;              // airplanes的内存池

};

inline void * airplane::operator new(size_t size)
{ return mempool.alloc(size); }

inline void airplane::operator delete(void *p,
                                      size_t size)
{ mempool.free(p, size); }

// 为airplane对象创建一个内存池，
// 在类的实现文件里实现
pool airplane::mempool(sizeof(airplane));

 

现在应该明白了，自定义的内存管理程序可以很好地改善程序的性能，而且它们可以封装在象pool这样的类里。但请不要忘记主要的一点，operator new和operator delete需要同时工作，那么你写了operator new，就也一定要写operator delete。