effective c++ -- 定制new和delete

这一章讲述了C++中的new和delete背后的一些机制，以及重写new和delete需要遵守的一些规则，以及什么时候适合重写new和delete以提高效率。

Item 49: 了解new-handler的行为
当operator new无法满足某一内存分配需求时，它会调用一个客户指定的错误处理函数，及new-handler，new-handler可能会为operator new找到足够的内存或者其他怎样以处理内存不足的情况，如果new-handler为空，operator new抛出异常。
通过set_new_handler来设置内存不足时调用的操作，它是声明于<new>的一个标准程序库函数：

namespace std{
  typedef void (*new_handler) ();
  new_handler set_new_handler( new_handler p ) throw();	//承诺不抛出异常
};
//这样使用set_new_handler
void outOfMem(){
  std::err<<"Unable to satisfy request for memory\n";
  std::abort();
}

int main(){
  std::set_new_handler( outOfMem );
  int* pBigDataArray = new int[10000000L];
  ...
}

当operator new无法满足内存申请时，它会不断调用new-handler函数，直到找到足够内存，或者最后抛出异常。因此，一个设计良好的new-handler函数必须做以下事情：
（1）让更多内存可被使用。实现此策略的做法是，程序一开始执行就分配一大块内存，而后当new-handler第一次被调用，将它们释还给程序。
（2）安装另一个new-handler。如果目前这个new-handler无法取得更多可用内存，或许它知道另外哪个new-handler有此能力，因为可以通过set_new_handler安装一个新的new-handler。
（3）卸载new-handler，也就是将null指针传给set_new_handler。一旦没有安装任何new-handler，operator new会在内存分配不成功时抛出异常。
（4）抛出bad_alloc（或派生自bad_alloc）的异常。这样的异常不会被operator new捕捉，因此会被传播到内存索求处。
（5）不返回，通常调用abort或exit。
假如你希望以不同方式处理内存分配失败情况，具体视class而定，也就是提供class之专属new-handler，你可以自己实现出这种行为，只需要令每一个class提供自己的set_new_handler和operator new即可，其中set_new_handler使客户得以指定class专属的new-handler，而operator new则确保在分配class对象内存的过程中以class专属之new-handler替换global new-handler。

class Widget{
  public:
    static std::new_handler set_new_handler( std::new_handler p )throw();
    static void* operator new( std::size_t size ) throw( std::bad_alloc );
  private:
    static std::new_handler currentHandler;
};

std::new_handler Widget::currentHandler = 0;
std::new_handler Widget::set_new_handler( std::new_handler p )throw(){
  std::new_handler oldHandler = currentHandler;
  currentHandler = p;
  return oldHandler;
};

Widget专属的operator new做的事情就是在调用global operator new之前将global new handler安装成Widget专属的new-handler，并在成功分配内存或抛出异常前将原先的global new-handler安装回去。为了达到这一点，可以使用资源管理类：

class NewHandlerHolder{
  public:
    explicit NewHandlerHolder( std::new_handler nh ):handler(nh){}
    ~NewHandlerHolder(){
      std::set_new_handler(handler); }
  private:
    std::new_handler handler;
    //阻止copying
    NewHandlerHolder( const NewHandlerHolder& );
    NewHandlerHolder& operator=( const NewHandlerHolder& );
};
//于是Widget::operator new的实现就相当简单了：
void* Widget::operator new( std::size_t size ) throw ( std::bad_alloc ){
  NewHandlerHolder h(std::set_new_handler(currentHandler));
  return ::operator new(size);
}

事实上，所有希望实现专属set_new_handler的类在这方面的实现基本没有差异，因此我们其实可以把它总结成一个基类：

template<typename T>
class NewHandlerSupport {
  public:
    static std::new_handler set_new_handler( std::new_handler p )throw();
    static void* operator new( std::size_t size ) throw( std::bad_alloc );
    ...
  private:
    static std::new_handler currentHandler;
};
template<typename T>
std::new_handler
NewHandlerSupport<T>::set_new_handler( std::new_handler p )throw(){
  std::new_handler oldHandler = currentHandler;
  currentHandler = p;
  return oldHandler;
}

template<typename T>
void* 
NewHandlerSupport<T>::operator*( std::size_t size ) throw( std::bad_alloc ){
  NewHandlerHolder h(std::set_new_handler(currentHandler));
  return ::operator new(size);
}

这里的template T完全没有被使用，但是，它确保了每一个derived class获得一个实体互异的currentHandler。

最后，可以使用

Widget* pw2 = new (std::nothrow) Widget;

来获得返回0而不是抛出异常的operator new，但是它只保证operator new不抛出异常，并不保证后续的构造函数不抛出异常，要知道，operator new分配完内存后，还会使用构造函数初始化这片内存。而nothrow只能保证在分配内存时不抛出异常。

Item 50: 了解new和delete的合理替换时机
为什么会想要替换编译器提供的operator new或operator delete呢？下面是三个常见的理由：
（1）用来检测运用上的错误。如果将“new所得内存delete”却不幸失败，会导致内存泄漏。如果在“new所得内存”身上多次delete则会导致不确定行为。如果让operator new持有一串动态分配所得的地址，而operator delete将地址从中移动，便可以很容易地检测出上述错误用法。另外可以在operator new时超额分配内存，以额外空间放置特定的byte pattern，operator delete便得以检查上述签名是否原封不动，若否的话说明在分配区的某个生命时间发生了overrun或underrun。可以通过operator delete将出错的指针载入日志。
（2）为了强化效能。编译器所带的operator new和operator delete主要用于一般目的，它处理的内存请求有时很大，有时很小，它必须处理大数量短命对象的持续分配和归还。它们必须考虑碎片问题。定制版的operator new和operator delete通常在性能上用过缺省版本，它们运行得比较快，需要的内存比较少。
（3）为了收集使用上的统计数据。在定制特定new和delete之前，我们应该收集软件如何使用其动态内存：分配区块的大小分布如何？寿命分布如何？它们倾向于使用FIFO还是LIFO还是随机次序来分配和归还？它们的运用形态是否随时间改变？等等。
（4）为了弥补缺省分配器中的非最佳齐位。
（5）为了将相关对象成簇集中。
（6）为了获得非传统的行为。

Item 51: 编写new和delete时需固守常规
operator new必须遵守的规矩：返回正确的值，内存不足时必得调用new-handling函数，必须有对付零内存的准备，还需避免不慎掩盖正常形式的new。C++规定，即使客户要求0 bytes，operator new也得返回一个合法指针。下面是个non-member operator new的伪码：

void* operator new( std::size_t, size ) throw (std::bad_alloc ){
  using namespace std;
  if( size == 0 )	//处理0 byte申请
    size = 1;
  while( true ){
    //尝试分配size bytes
    void* pMem = malloc(size);
    if( pMem )		//成功分配
      return pMem;
    //分配失败
    //获取当前的new_handler
    new_handler globalHandler = set_new_handler(0);
    set_new_handler( globalHandler );

    if( globalHandler ) (*globalHandler)();
    else throw std::bad_alloc();
  }
}

对于class专属的operator new，还必须注意到它很可能被其派生类继承。而写出定制型内存管理器的一个最常见理由是为针对某特定class的对象分配行为提供最优化，却不是为了该class的任何派生类。也就是说，针对class X而设计的operator new，其行为很典型地只为大小刚好为sizeof(X)对象而设计。然而一旦被继承下去，有可能基类的operator new被调用用以分配派生类对象：

class Base{
  public:
    static void* operator new(std::size_t size) throw( std::bad_alloc );
    ...
};
class Derieved : public Base{
  ...
};

Derieved* p = new Derieved;	//这里调用的是Base::operator new
//因此，假如operator new是被专门设计用以返回Base对象大小的内存
//有必要为此情况做出一点处理：
void* Base::operator new( std::size_t size ) throw ( std::bad_alloc ){
  if( size != sizeof(Base) )
    //注意，sizeof(Base)一定不为0，所以size为0的情况将交给::operator new
    return ::operator new(size);
  ...
}

如果你打算控制class专属之arrays内存分配行为，那么便需要实现operator new的array兄弟版：operator new[]，这时你唯一需要做的一件事就是分配一块未加工内存。
至于operator delete，唯一需要记住的是：C++保证“删除null指针永远安全”。另外，如果你的class专属operator new将大小有误的分配行为转交::operator new执行，那么也必须将大小有误的删除行为转交::operator delete：

class Base{
  public:
    static void* operator new( std::size_t size ) throw( std::bad_alloc );
    static void operator delete( void* rawMemory, std::size_t size ) throw();
    ...
};

void Base::operator delete( void* rawMemory, std::size_t size ) throw(){
  if( rawMemory == 0 )
    return;
  if( size != sizeof(Base){
      ::operator delete(rawMemory);
      return;
  }
  return;
}

Item 52: 写了placement new也要与placement delete
所谓的placement new，是相对于正常的operator new而言的，或者从广义上说，应该是“被重载的operator new”（我个人是这么感觉的）。
正常的operator new及其相应的operator delete版本如下：

void* operator new( std::size_t ) throw ( std::bad_alloc );
void operator delete(  void* rawMemory ) throw ();
//class作用域中的delete，包含一个大小
void operator delete( void* rawMemory, std::size_t size )throw();

new表达式：

Widget* pw = new Widget;

实际调用了两个函数，一个是用以分配内存的operator new，一个是Widget的default构造函数。
假设其中第一个函数调用成功，即内存已经被分配，第二个函数却抛出异常。此时，pw尚未被赋值，被内存已经被分配，但是我们没有得到指向该内存的指针，因此我们没有能力释放被分配的内存。因此，释放内存的责任就落在了C++运行期系统上。运行期系统将会找到与刚才调用的operator new相配对的operator delete来执行这一任务。
假设我们为Widget写了一个专属的operator new，要求接受一个ostream用以记录分配信息：

class Widget{
  public:
    static void* operator new( std::size_t size, std::ostream& log )
      throw( std::bad_alloc );
    ...
};

“如果operator new接受的参数除了一定会有的那个size_t之外还有其他，这便是个所谓的placement new”。
最早的placement new版本是一个“接受一个指针指向对象被构造之处”的operator new，其长相如下：

void* operator new( std::size_t, void* pMemory ) throw();

它的用途之一是负责在vector的未使用空间上创建对象。
如果在调用

Widget* pw = new (std::err) Widget;

时Widget构造函数抛出异常，C++运行期系统将自动调用与operator new相对应的版本来释放内存。所谓的“相对应的版本”，是指“参数个数和类型都与operator new相同”的某个operator delete，因此，当你定义了一个placement new时，你必须定义一个对应的placement delete，否则系统找不到对应的delete，无法执行内存回收工作，那么内存就泄漏了。
另外，operator new函数的名字匹配规则同一般的成员函数一样，如果你只在基类里声明了一个placement new，关于基类的new调用将无法使用正常版本；然后如果你又在继承自该基类的派生类里重新声明正常形式的new，基类的placement new也将不能默认作用在该派生类上。总之就是，operator new的名字匹配规则跟一般的成员函数是一样的。
placement delete只有在“伴随placement new调用而触发的构造函数”出现异常时才会被调用。

书中最后一章提醒了编译器warning的重要性，介绍了std::tr1及boost的一些基本东西。到此，这本书就总结完了。然后寒假也结束了~~~希望接下来的一学年好运吧。