再學C++ Primer（12）- C++中的高級內存管理

C++ primer的最后一章，雖說是高級主題，但其實是一些非常有用的東西，包括內存分配，RTTI，volatile等等。

new/delete

C++中內存方面最常用的就是new表達式和delete表達式。

string *sp = new string("fucku");

實際上發生了三件事:

1）調用名為operator new的標準庫函數，分配足夠大的原始的未類型化的內存，以保存指定類型的一個對象；

2）運行該類型的一個構造函數，用指定初始化式構造對象；

3）返回指向新分配并構造的對象的指針；

delete sp；

實際上發生了兩件事：

1）對sp指向的對象運行適當的析構函數；

2）通過調用名為operator delete的標準庫函數釋放該對象所占用的內存。

C++中還有一些更加“原子”的做法.

下面的兩種方法來分配和釋放未構造的原始內存

1）allocator類，能夠針對某個類型進行內存分配，該類支持一個抽象接口，以分配內存并隨后使用該內存保存對象；

2）標準庫中的operator new 和 operator delete，它們分配和釋放需要大小的原始的，未類型化的內存；

下面的四種方法還提供不同的方法在原始內存中構造和撤銷對象

1）allocator類定義名為construct和 destroy的成員，construct成員在未構造內存中初始化對象，destroy成員在對象上運行適當的析構函數；

2）placement new 表達式，接受指向未構造內存的指針，并在該空間初始化一個對象或是一個數組；

3）可以直接調用對象的析構函數來刪除對象。運行析構函數并不釋放對象所占有的內存；

4）使用uninitialized_fill，uninitialized_fill_n 和uninitialized_copy,進行構造或者拷貝構造。

Vector類的部分實現

vector.h

template<typename T> class Vector{ public:     Vector():elements(0),first_free(0),end(0){}     void push_back(const T&);     //... private: 	static std::allocator<T> alloc; 	void reallocate(); 	T* elements; 	T* first_free; 	T* end; 	//... }

elements，指向數組第一個元素；

first_free，指向最后一個實際元素之后的元素；

end，指向數組最后一個元素。

Vector的size等于 first_free - elements;

Vector的capacity等于end - elements +1；

剩余的自由空間是 end - first_free.

還有兩個函數，push_back 用于vector中push元素，reallocate用于重新分配內存。

push_back 函數的實現如下

template <typename T> void Vector<T>::push_back(const T& t) { 	if(first_free == end) 		reallocate(); 	alloc.construct(first_free,t); 	++first_free; }

高潮來了，reallocate函數！

先說明一下內存擴張策略：每次重新分配時分配兩倍內存，函數首先計算當前在用的元素數目，將該數目翻倍，并請求allocator對象來獲得所需數量的空間，如果Vector為空，就分配兩個元素。

這樣的策略平攤下來的時間復雜度是O (1).實現如下：

template <typename T> void Vector<T>::reallocate() { 	std::ptrdiff_t size  = first_free - elemens; 	std::ptrdiff_t newcapacity = a * max(size,1); 	 	T* newelements = alloc.allocate(newcapaciy); 	 	uninitialized_copy(elements, first_free, newelements); 	for(T *p = first_free; p != elements;) 		alloc.destroy(--p); 		 	if(elements) 		alloc.deallocate(elements, end-elements); 		 	elements = newelements; 	firts_free = elements + size; 	end = elements + newcapacity; }

for循環對舊數組中每個對象調用allocator的destroy成員，逆序銷毀元素，destroy調用T的析構函數來釋放對象的資源；

一旦復制并析構了元素，就釋放原來占用的空間，不過在deallocate之前，斌需檢查elements的合法性；

最后，并需重置指針以指向新分配并初始化的數組。

重載new/delete

       雖然C++標準庫已經為我們提供了new與delete操作符的標準實現，但是由于缺乏對具體對象的具體分析，系統默認提供的分配器在時間和空間兩方面都存在著一些問題：分配器速度較慢，而且在分配小型對象時空間浪費比較嚴重，特別是在一些對效率或內存有較大限制的特殊應用中。比如說在嵌入式的系統中，由于內存限制，頻繁地進行不定大小的內存動態分配很可能會引起嚴重問題，甚至出現堆破碎的風險；再比如在游戲設計中，效率絕對是一個必須要考慮的問題，而標準new與delete操作符的實現卻存在著天生的效率缺陷。此時，我們可以求助于new與delete操作符的重載，它們給程序帶來更靈活的內存分配控制。除了改善效率，重載new與delete還可能存在以下兩點原因：

檢測代碼中的內存錯誤。
獲得內存使用的統計數據。

        相對于其他的操作符，operator new具有一定的特殊性，在多個方面上與它們大不相同。首先，對于用戶自定義類型，如果不重載，其他操作符是無法使用的，而operator new則不然，即使不重載，亦可用于用戶自定義類型。其次，在參數方面，重載其他操作符時參數的個數必須是固定的，而operator new的參數個數卻可以是任意的，只需要保證第一個參數為size_t類型，返回類型為void *類型即可。所以operator new的重載會給我們一種錯覺：它更像是一個函數重載，而不是一個操作符重載。

詳細請參考：effective C++ 33條