.C++ primer第二次阅读学习笔记（第18章：特殊工具与技术：优化内存分配）

第十八章：特殊工具与技术：优化内存分配

C++类型分配是一个类型化操作:new特定类型分配内存，并在新分配的内存中构造对象。new表达式会为每个动态分配的类自动调用构造函数。但有些时候需要将内存分配与对象构造分开，因为对预先分配,但以后却不使用的对象进行构造很是浪费的。

内存分配和对象构造紧密纠缠，就像对象析构和内存回收一样。new表达式分配内存并在该内存中构造一个对象，delete表达式调用析构函数撤销对象，并将对像所用内存返还给系统。

C++提供两种方法，分配和释放未构造的的原始内存：

1：allocator类，它提供可感知类型的内存分配。这个类使用allocate成员分配内存，使用deallocate成员释放内存。

2：标准库中的operator new 和operator delete，它们分配和释放需要大小的原始的、未类型化的内存。

C++还提供不同的方法，在原始内存中构造和撤销对象。

1:allocator类定义了名为construct和destroy的成员，其操作正如它们的名字所指出的那样。construct成员在未构造的内存中调用复制构造函数初始化对象。destroy成员在对象上运行适当的析构函数。

2：定位new表达式。接受指定未构造内存的指针，并在该空间初始化一个对象或数组。

3：可以直接调用对象的析构函数来撤销对象。运行析构函数不释放对象所在的内存。

4：算法uninitialized_fill和uninitialized_copy与fill和copy类似。只是它们在给定地址调用复制构造函数构造对象。

现代C++一般应该使用allocator来分配内存。它更安全更灵活。但是在构造对象时用new表达式比allocator：：construct成员更灵活。且有几种情况必须使用new。

allocator类是一个模板，它将内存的分配和对象构造分开。当allocator对象分配内存的时候，它分配适当大小指定类型对象的空间。但是它分配的空间是未构造的，allocator的用户必须分别使用construct和destroy构造和析构对象。

allocator<T> a定义名为a的allocator对象，它用于分配内存或构造T类型的对象。

allocate(n);分配原始的、未构造的内存，保存T类型的n个对象。

deallocate(p,n);释放内存，在类型为T*的指针p指向的地址,保存着n个对象，运行deallocate之前调用destroy是用户的责任。

a.contruct(p,t);在T*类型指针p所指向的内存中构造一个新元素。运行T类型的复制构造函数用t初始化该对象。

a.destroy(p);运行T*类型指针p所指向对象的析构函数。

uninitialized_fill(b,e,t);将由迭代器b和e标记的范围的对象，初始化为t的副本，它是用复制构造函数构造对象。

uninitiated_copy(b,e,b2)从迭代器b和e指出的输入范围，将元素复制到从迭代器b2开始的，未构造的原始内存中。该函数在目的地构造元素，而不是给它们赋值。假定b2指出的目的地址足以保存输入范围中元素的副本。

当使用new操作符时，实际发生了三个步骤：1：调用名为operator new的标准库函数。分配足够大的原始的未类型化的内存，以保存指定类型的对象。2：运行该类型的一个构造函数，用指定初始化式构造对象。3：返回指向新分配并构造对象的指针。

使用delete操作符时，发生两个步骤：1：对指向的对象运行析构函数。2：调用名为operator delete的标准库函数释放该对象的内存。

要注意分清new表达式和标准库的operator new函数。

Operator new和operator delete有两个不同的版本。每个版本支持相关的new表达式和delete表达式。

void *operator new(size_t);

vodi *operator new [](size_t);

voidoperator delete(void*);

voidoperator delete[](void*);

通常operator new和operator delete的设计意图，是供new和delete表达式使用，但是我们仍然可以使用它们获得未构造的内存。这与allocator的allocate和deallocate功能相同。如：

T* newelements=alloc.allocate(num);

用operator new替代为：

T*newelements=static_cast<T*> (operator new[] (num*sizeof(T));

alloc.deallocate(elements,end-elements);

用operator delete替换为：

operator delete[](elements);

注意operator new和operator delete与allocate和deallocate的区别就是：它们在void*的指针上进行操作。而allocate和deallocate在类型为T的指针上进行操作。

allocator分配类型化的内存，无须转换因此allocator比直接使用operator new和operator更为类型安全。

定位new表达式在已分配的原始内存中初始化一个对象。它与new的其他版本的不同之处在于：它不分配内存。它的形式为：

new(地址)类型

new(地址)类型（初始化表）

初始化表是在构造新分配的对象时使用的。

Alloc.construct(first_free,t);

用定位new替代为：

new(first_free)T(t);

使用定位new表达式比使用allocator类的construct成员更灵活。因为定位new在初始化一个对象的时候，它可以使用任何构造函数，而construct函数总是使用复制构造函数。

析构函数可以被显式调用，如p->~T()；它调用类型T的析构函数，适当的清楚对象本身，但是没有释放对象所占内存。注意：调用operator delete不会运行析构函数，它只释放指定内存。

默认情况下new表达式通过由标准库定义的operator new版本分配内存，通过自定义的名为operator new和operator delete的成员函数，类可以管理应用于自身类型的内存。

编译器在看到类类型的new或delete表达式时，它查看该类是否有operator new或operator delete成员。如果该类定义或继承了自己的operator new和operator delete函数，则使用它们为对象分配和释放内存。否则调用标准库的版本。

自定义的operator new和operator delete默认为静态的。不必显式的声明为static，编译器默认将它们视为static函数。因为它们要么在构造对象之前使用，要么在撤销对象之后使用，因此，这些函数不依赖类的对象而存在。

classTest

{

public:

Test()

{

}

staticvoid *operatornew(size_tnum)//num表示要分配空间的字节数。

{

}

staticvoidoperator delete(void *s)//s为要删除的指针。

{

}

//或者

staticvoidoperator delete(void *s,size_tn) s为要删除的指针。n为s所指向对象的字节。

{

}

};

当为operator delete提供size_t形参时，就由编译器用第一个形参所指对象的字节大小，自动初始化size_t形参。当类是某继承层次的一部分时，这是必需的。因为。指针既可以指向基类对象，又可以指向派生类对象。派生类的对象大小一般比基类对象要大，如果基类有virtual析构函数，则传给operator delete的大小，将根据被删除指针所指向对象的动态类型而变化。如果基类没有virtual析构函数，通过基类指针删除指向派生类对象的行为，是未定义的。

同样也可以定义成员operator new[]和operator delete[]来管理类类型的数组。如果这些函数存在，编译器就是用它们代替标准库的版本。

当类定义了自己的operator new和operator delete，标准库的operator new和operator delete就被屏蔽。但是可以通过全局作用域操作符强制new或delete表达式使用全局的库函数。如：

T*p=::new T;

::delete p；

以下为自定义Vector类：

#include<iostream>
using namespace std;
#include<algorithm>
#include<stdexcept>
template<typename T>
class Vector
{
public:
	Vector()
	{
		first_free=NULL;
		end=NULL;
		element=NULL;
	}
	void push_back(T t)
	{
		if(first_free==end)
		{
			reallocate();
		}
		//alloc.construct(first_free,t);//调用构造函数。
		new (first_free)T(t);
		first_free++;
	}
	T &operator[](size_t s)
	{
		if(s>first_free-element)
		{
			throw out_of_range("下标越界啦！！");
		}
		else
		{
			return element[s];
		}
	}
	const T &operator[](size_t s)const 
	{
		if(s>first_free-element)
		{
			throw out_of_range("下标越界啦！！");
		}
		else
		{
			return element[s];
		}
	}

private:
	void reallocate()
	{
		int num=first_free-element;
		T*newelement;
		if(num>0)
		{
			newelement=alloc.allocate(2*num);
			//newelement=static_cast<T*>(operator new(2*num*sizeof(T)));//调用operator new申请空间。
			uninitialized_copy(element,first_free,newelement);//将原来空间的元素复制到新地址。调用复制构造函数。
		}
		else
		{
			newelement=alloc.allocate(2);
			//newelement=static_cast<T*>(operator new(2*sizeof(T)));//调用operator new申请空间。
			
		}
		for(T*i=element;i!=first_free;i++)
		{
			alloc.destroy(i);//调用析构函数。
			//i->~T();//显式调用析构函数。
		}
		
		alloc.deallocate(element,end-element);//释放空间。
		//operator delete (element);//使用operator delete释放空间。
		//更新个指针。
		element=newelement;
		first_free=element+num;

		if(num==0)
		{
			end=element+2;
		}
		else
		{
			end=element+2*num;
		}
	}
private:
    allocator<T> alloc;//为什么此处加上static就会报链接错误呢。
	T*newelement;
	T* first_free;
	T*end;
	T*element;

};




int main(int argc,char**argv)
{
	Vector<int> vi;
	try
	{
	
		for(int i=0;i<20;i++)
		   vi.push_back(i+5);
		for(int i=0;i<20;i++)
		{
			cout<<i+1<<": "<<vi[i]<<endl;
		}
		cout<<vi[28]<<endl;
	}
	catch (exception&e)
	{
		cout<<e.what()<<endl;
	}
	return 0;
}

接下来实现一个内存分配器基类。它预先分配一块原始内存，来保存未构造的对象。创建新元素时，可以在预先分配的内存中构造，释放元素时将它们放回预先分配对象的块中，而不是将内存实际返还给系统。这种策略常被成为维持一个自由列表。本例将自由列表实现为已分配但未构造的对象的链表。

有可能很多类都需要使用自由列表的分配策略。因此任何需要这种策略的类，都可以直接继承自这个类。因为这个类希望为任意类型服务，所以它被定义为类模板。

它有几个简单接口：重写的operator new成员函数：new 操作符被调用时调用此函数。它从自由列表中取走一个未构造的元素。因为new操作符的第二步会调用定位new操作符构造元素。Operator delete成员函数，它将要删除的指针指向的对象添加到自由列表中而不是返还给系统。

注意：此类只能用于包含在继承层次中的类型。因为它无法根据对象的实际类型，分配不同大小的对象。它的自由列表存储单一大小的对象。

使用allocator分配空间。它是静态的。自由列表头指针和其他一些变量都是被声明为static的成员变量，因为我们希望为所有相同类型的对象维持一个自由列表。代码实现过程中出现了链接错误，检查好久，最后才发现是static的allocator<T> alloc没有在类外定义一次。这要注意啊。

addToFreeList用于将一个指针指向的未构造或析构过的空间加入自由列表。

next指针指向此类的派生类对象。因为自由列表存储的就是派生类对象的链表。

在调试过程中operator new可以跟进，但是operator delete却无法跟进。但是测试证明该函数的在使用delete操作符的时候被调用了。具体什么原因不得而知。有谁知道请不吝赐教。！！

具体实现见代码：

#include<iostream>
#include<stdexcept>
using namespace std;

template<typename T>
class MemoryAllocate
{
public:
	MemoryAllocate()
	{

	}
	void *operator new(size_t s)
	{
		if(s!=sizeof(T))
			throw runtime_error("传入的类型大小不符！");
		if(!freeList)
		{
			T*array=alloc.allocate(num);
			for(size_t i=0;i<num;i++)
			{
				addToFreeList(array+i);
			}
		}
		T*p=freeList;
		freeList=freeList->next;
		return p;
	}
	void operator delete(void*s)
	{
		T*p=static_cast<T*>(s);
		addToFreeList(p);
		cout<<"wobeidiaoyongle "<<endl;//这句话被输出了，说明此函数被调用了。但是为何无法跟进呢？？？20120530 21:22
	}
	virtual ~MemoryAllocate()
	{

	}
private:
	static void addToFreeList(T*t)
	{
		t->next=freeList;
		freeList=t;
	}
private:
	static T*freeList;
	static T*next;
	static allocator<T> alloc;
	static size_t num;

};
  template<typename T>  T*MemoryAllocate<T>::freeList=NULL;
  template<typename T> size_t MemoryAllocate<T>::num=10;
  template<typename T> T*MemoryAllocate<T>::next=NULL;
  template<typename T> allocator<T> MemoryAllocate<T>::alloc;

  class Derived:public MemoryAllocate<Derived>
  {
  public:
	  Derived()
	  {
		  i=0;
	  }
	  int i;
  };
  int main(int argc,char**argv)
  {
	 try
	 {
	 
		 Derived *mai=new Derived;
		 Derived *p=new Derived;


		 delete mai;
		 delete p;
	 }
	 catch (exception& e)
	 {
		 cout<<e.what()<<endl;
	 }
	 return 0;
  }