C++ 工程实践(2)：不要重载全局 ::operator new()
本文只考虑 Linux x86 平台，服务端开发（不考虑 Windows 的跨 DLL 内存分配释放问题）。本文假定读者知道 ::operator new() 和 ::operator delete() 是干什么的，与通常用的 new/delete 表达式有和区别和联系，这方面的知识可参考侯捷先生的文章《池内春秋》[1]，或者这篇文章。
C++ 的内存管理是个老生常谈的话题，我在《当析构函数遇到多线程》第 7 节“插曲：系统地避免各种指针错误”中简单回顾了一些常见的问题以及在现代 C++ 中的解决办法。基本上，按现代 C++ 的手法（RAII）来管理内存，你很难遇到什么内存方面的错误。“没有错误”是基本要求，不代表“足够好”。我们常常会设法优化性能，如果 profiling 表明 hot spot 在内存分配和释放上，重载全局的 ::operator new() 和 ::operator delete() 似乎是一个一劳永逸好办法（以下简写为“重载 ::operator new()”），本文试图说明这个办法往往行不通。
内存管理的基本要求
如果只考虑分配和释放，内存管理基本要求是“不重不漏”：既不重复 delete，也不漏掉 delete。也就说我们常说的 new/delete 要配对，“配对”不仅是个数相等，还隐含了 new 和 delete 的调用本身要匹配，不要“东家借的东西西家还”。例如：
- 用系统默认的 malloc() 分配的内存要交给系统默认的 free() 去释放；
- 用系统默认的 new 表达式创建的对象要交给系统默认的 delete 表达式去析构并释放；
- 用系统默认的 new[] 表达式创建的对象要交给系统默认的 delete[] 表达式去析构并释放；
- 用系统默认的 ::operator new() 分配的的内存要交给系统默认的 ::operator delete() 去释放；
- 用 placement new 创建的对象要用 placement delete （为了表述方便，姑且这么说吧）去析构（其实就是直接调用析构函数）；
- 从某个内存池 A 分配的内存要还给这个内存池。
- 如果定制 new/delete，那么要按规矩来。见 Effective C++ 相关条款。
做到以上这些不难，是每个 C++ 开发人员的基本功。不过，如果你想重载全局的 ::operator new()，事情就麻烦了。
重载 ::operator new() 的理由
Effective C++ 第三版第 50 条列举了定制 new/delete 的几点理由：
- 检测代码中的内存错误
- 优化性能
- 获得内存使用的统计数据
这些都是正当的需求，文末我们将会看到，不重载 ::operator new() 也能达到同样的目的。
::operator new() 的两种重载方式
1. 不改变其签名，无缝直接替换系统原有的版本，例如：
#include <new>
void* operator new(size_t size);
void operator delete(void* p);
用这种方式的重载，使用方不需要包含任何特殊的头文件，也就是说不需要看见这两个函数声明。“性能优化”通常用这种方式。
2. 增加新的参数，调用时也提供这些额外的参数，例如：
void* operator new(size_t size, const char* file, int line); // 其返回的指针必须能被普通的 ::operator delete(void*) 释放
void operator delete(void* p, const char* file, int line); // 这个函数只在析构函数抛异常的情况下才会被调用
然后用的时候是
Foo* p = new (__FILE, __LINE__) Foo; // 这样能跟踪是哪个文件哪一行代码分配的内存
我们也可以用宏替换 new 来节省打字。用这第二种方式重载，使用方需要看到这两个函数声明，也就是说要主动包含你提供的头文件。“检测内存错误”和“统计内存使用情况”通常会用这种方式重载。当然，这不是绝对的。
在学习 C++ 的阶段，每个人都可以写个一两百行的程序来验证教科书上的说法，重载 ::operator new() 在这样的玩具程序里边不会造成什么麻烦。
不过，我认为在现实的产品开发中，重载 ::operator new() 乃是下策，我们有更简单安全的办法来到达以上目标。
现实的开发环境
作为 C++ 应用程序的开发人员，在编写稍具规模的程序时，我们通常会用到一些 library。我们可以根据 library 的提供方把它们大致分为这么几大类：
- C 语言的标准库，也包括 Linux 编程环境提供的 Posix 系列函数。
- 第三方的 C 语言库，例如 OpenSSL。
- C++ 语言的标准库，主要是 STL。（我想没有人在产品中使用 IOStream 吧？）
- 第三方的通用 C++ 库，例如 Boost.Regex，或者某款 XML 库。
- 公司其他团队的人开发的内部基础 C++ 库，比如网络通信和日志等基础设施。
- 本项目组的同事自己开发的针对本应用的基础库，比如某三维模型的仿射变换模块。
在使用这些 library 的时候，不可避免地要在各个 library 之间交换数据。比方说 library A 的输出作为 library B 的输入，而 library A 的输出本身常常会用到动态分配的内存（比如 std::vector<double>）。
如果所有的 C++ library 都用同一套内存分配器（就是系统默认的 new/delete ），那么内存的释放就很方便，直接交给 delete 去释放就行。如果不是这样，那就得时时刻刻记住“这一块内存是属于哪个分配器，是系统默认的还是我们定制的，释放的时候不要还错了地方”。
（由于 C 语言不像 C++ 一样提过了那么多的定制性，C library 通常都会默认直接用 malloc/free 来分配和释放内存，不存在上面提到的“内存还错地方”问题。或者有的考虑更全面的 C library 会让你注册两个函数，用于它内部分配和释放内存，这就就能完全掌控该 library 的内存使用。这种依赖注入的方式在 C++ 里变得花哨而无用，见陈硕写的《C++ 标准库中的allocator是多余的》。）
但是，如果重载了 ::operator new()，事情恐怕就没有这么简单了。
重载 ::operator new() 的困境
首先，重载 ::operator new() 不会给 C 语言的库带来任何麻烦，当然，重载它得到的三点好处也无法让 C 语言的库享受到。
以下仅考虑 C++ library 和 C++ 主程序。
规则 1：绝对不能在 library 里重载 ::operator new()
如果你是某个 library 的作者，你的 library 要提供给别人使用，那么你无权重载全局 ::operator new(size_t) （注意这是上面提到的第一种重载方式），因为这非常具有侵略性：任何用到你的 library 的程序都被迫使用了你重载的 ::operator new()，而别人很可能不愿意这么做。另外，如果有两个 library 都试图重载 ::operator new(size_t)，那么它们会打架，我估计会发生 duplicated symbol link error。干脆，作为 library 的编写者，大家都不要重载 ::operator new(size_t) 好了。
那么第二种重载方式呢？首先，::operator new(size_t size, const char* file, int line) 这种方式得到的 void* 指针必须同时能被 ::operator delete(void*) 和 ::operator delete(void* p, const char* file, int line) 这两个函数释放。这时候你需要决定，你的 ::operator new(size_t size, const char* file, int line) 返回的指针是不是兼容系统默认的 ::operator delete(void*)。
- 如果不兼容（也就是说不能用系统默认的 ::operator delete(void*) 来释放内存），那么你得重载 ::operator delete(void*)，让它的行为与你的 operator new(size_t size, const char* file, int line) 匹配。一旦你决定重载 ::operator delete(void*)，那么你必须重载 ::operator new(size_t)，这就回到了情况 1：你无权重载全局 ::operator new(size_t)。
- 如果选择兼容系统默认的 ::operator delete(void*)，那么你在 operator new(size_t size, const char* file, int line) 里能做的事情非常有限，比方说你不能额外动态分配内存来做 house keeping 或保存统计数据（无论显示还是隐式），因为系统默认的 ::operator delete(void*) 不会释放你额外分配的内存。（这里隐式分配内存指的是往 std::map<> 这样的容器里添加元素。）
看到这里估计很多人已经晕了，但这还没完。
其次，在 library 里重载 operator new(size_t size, const char* file, int line) 还涉及到你的重载要不要暴露给 library 的使用者（其他 library 或主程序）。这里“暴露”有两层意思：1) 包含你的头文件的代码会不会用你重载的 ::operator new()，2) 重载之后的 ::operator new() 分配的内存能不能在你的 library 之外被安全地释放。如果不行，那么你是不是要暴露某个接口函数来让使用者安全地释放内存？或者返回 shared_ptr ，利用其“捕获”deleter 的特性？听上去好像挺复杂？这里就不一一展开讨论了，总之，作为 library 的作者，绝对不要动“重载 operator new()”的念头。
事实 2：在主程序里重载 ::operator new() 作用不大
这不是一条规则，而是我试图说明这么做没有多大意义。
如果用第一种方式重载全局 ::operator new(size_t)，会影响本程序用到的所有 C++ library，这么做或许不会有什么问题，不过我建议你使用下一节介绍的更简单的“替代办法”。
如果用第二种方式重载 ::operator new(size_t size, const char* file, int line)，那么你的行为是否惠及本程序用到的其他 C++ library 呢？比方说你要不要统计 C++ library 中的内存使用情况？如果某个 library 会返回它自己用 new 分配的内存和对象，让你用完之后自己释放，那么是否打算对错误释放内存做检查？
C++ library 从代码组织上有两种形式：1) 以头文件方式提供（如以 STL 和 Boost 为代表的模板库）；2) 以头文件+二进制库文件方式提供（大多数非模板库以此方式发布）。
对于纯以头文件方式实现的 library，那么你可以在你的程序的每个 .cpp 文件的第一行包含重载 ::operator new 的头文件，这样程序里用到的其他 C++ library 也会转而使用你的 ::operator new 来分配内存。当然这是一种相当有侵略性的做法，如果运气好，编译和运行都没问题；如果运气差一点，可能会遇到编译错误，这其实还不算坏事；运气更差一点，编译没有错误，运行的时候时不时出现非法访问，导致 segment fault；或者在某些情况下你定制的分配策略与 library 有冲突，内存数据损坏，出现莫名其妙的行为。
对于以库文件方式实现的 library，这么做并不能让其受惠，因为 library 的源文件已经编译成了二进制代码，它不会调用你新重载的 ::operator new（想想看，已经编译的二进制代码怎么可能提供额外的 new (__FILE__, __LINE__) 参数呢？）更麻烦的是，如果某些头文件有 inline function，还会引起诡异的“串扰”。即 library 有的部分用了你的分配器，有的部分用了系统默认的分配器，然后在释放内存的时候没有给对地方，造成分配器的数据结构被破坏。
总之，第二种重载方式看似功能更丰富，但其实与程序里使用的其他 C++ library 很难无缝配合。
综上，对于现实生活中的 C++ 项目，重载 ::operator new() 几乎没有用武之地，因为很难处理好与程序所用的 C++ library 的关系，毕竟大多数 library 在设计的时候没有考虑到你会重载 ::operator new() 并强塞给它。
如果确实需要定制内存分配，该如何办？
替代办法
很简单，替换 malloc。如果需要，直接从 malloc 层面入手，通过 LD_PRELOAD 来加载一个 .so，其中有 malloc/free 的替代实现(drop-in replacement)，这样能同时为 C 和 C++ 代码服务，而且避免 C++ 重载 ::operator new() 的阴暗角落。
对于“检测内存错误”这一用法，我们可以用 valgrind 或者 dmalloc 或者 efence 来达到相同的目的，专业的除错工具比自己山寨一个内存检查器要靠谱。
对于“统计内存使用数据”，替换 malloc 同样能得到足够的信息，因为我们可以用 backtrace() 函数来获得调用栈，这比 new (__FILE__, __LINE__) 的信息更丰富。比方说你通过分析 (__FILE__, __LINE__) 发现 std::string 大量分配释放内存，有超出预期的开销，但是你却不知道代码里哪一部分在反复创建和销毁 std::string 对象，因为 (__FILE__, __LINE__) 只能告诉你最内层的调用函数。用 backtrace() 能找到真正的发起调用者。
对于“性能优化”这一用法，我认为这目前的多线程开发中，自己实现一个能打败系统默认的 malloc 的内存分配器是不现实的。一个通用的内存分配器本来就有相当的难度，为多线程程序实现一个安全和高效的通用（全局）内存分配器超出了一般开发人员的能力。不如使用现有的针对多核多线程优化的 malloc，例如 Google tcmalloc 和 Intel TBB 2.2 里的内存分配器。好在这些 allocator 都不是侵入式的，也无须重载 ::operator new()。
为单独的 class 重载 operator new() 有问题吗？
与全局 ::operator new() 不同，per-class operator new() 和 operator delete () 的影响面要小得多，它只影响本 class 及其派生类。似乎重载 member operator new() 是可行的。我对此持反对态度。
如果一个 class Node 需要重载 member operator new()，说明它用到了特殊的内存分配策略，常见的情况是使用了内存池或对象池。我宁愿把这一事实明显地摆出来，而不是改变 new Node 的默认行为。具体地说，是用 factory 来创建对象，比如 static Node* Node::createNode() 或者 static shared_ptr<Node> Node::createNode();。
这可以归结为最小惊讶原则：如果我在代码里读到 Node* p = new Node，我会认为它在 heap 上分配了内存，如果 Node class 重载了 member operator new()，那么我要事先仔细阅读 node.h 才能发现其实这行代码使用了私有的内存池。为什么不写得明确一点呢？写成 Node* p = Node::createNode()，那么我能猜到 Node::createNode() 肯定做了什么与 new Node 不一样的事情，免得将来大吃一惊。
The Zen of Python 说 explicit is better than implicit，我深信不疑。
总结：重载 ::operator new() 或许在某些临时的场合能应个急，但是不应该作为一种策略来使用。如果需要，我们可以从 malloc 层面入手，彻底而全面地替换内存分配器。
参考文献：
[1] 侯捷，《池內春秋—— Memory Pool 的設計哲學與無痛運用》，《程序员》2002 年第 9 期。
