C++ new、delete（new[]、delete[]）操作符重载需要注意的问题

Z时代
2024-01-10
分类：综合

new、delete（new[]、delete[]）操作符的重载需要注意：

1.重载的 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符必须是类的静态成员函数（为什么必须是静态成员函数，这很好理解，因为 new 操作符被调用的时候，对象还未构建）或者是全局函数，函数的原型如下：


void* operator new(size_t size) throw(std::bad_alloc);
// 这里的 size 为分配的内存的总大小
void* operator new[](size_t size) throw(std::bad_alloc);
 
void operator delete(void* p) throw();
void operator delete[](void* p) throw();
 
void operator delete(void* p, size_t size) throw();
// 区别于 new[] 的参数 size，这里的 size 并非释放的内存的总大小
void operator delete[](void* p, size_t size) throw();

另外，我们可以使用不同的参数来重载 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符，例如：


// 第一个参数仍为 size_t
void* operator new(size_t size, const char* file, int line);
// 此操作符的使用
string* str = new(__FILE__, __LINE__) string;

重载全局的 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符会改变所有默认分配行为（包括某个类的分配行为），因此必须小心使用，如果两个库都 new 等进行了全局重载，那么就会出现链接错误（duplicated symbol link error）。而在类中定义的 new、delete（或者 new[]、delete[]）操作符只会影响到本类以及派生类。

很多人完全没有意识到 operator new、operator delete、operator new[]、operator delete[] 成员函数会被继承（虽然它们是静态函数）。有些时候，我们只想为指定的类设置自定义的 operator new 成员函数，而不希望影响到子类的工作。《Effective C++ Third Edition》提供了如下的方案：


void * Base::operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
{
    // 如果大小不为基类大小
    if (size != sizeof(Base))
        // 调用标准的 new 操作符
        return ::operator new(size);
 
    自定义大小为基类大小的分配处理
}

这样处理的一个前提是：认为子类的大小一定大于父类。

对于 operator new[] 来说，我们很难通过上面的方式检查到底是父类还是子类调用了操作符。通过 operator new[] 操作符的参数，我们无法得知分配的元素的个数，无法得知分配的每个元素的大小。operator new[] 的参数 size_t 表明的内存分配的大小可能大于需要分配的元素的内存大小之和，因为动态内存分配可能会分配额外的空间来保存数组元素的个数。

2.兼容默认的 new、delete 的错误处理方式

这不是个很简单的事（详细参考《Effective C++ Third Edition》 Item 51）。operator new 通常这样编写：


// 这里并没有考虑多线程访问的情况
void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
{
    using namespace std;
 
    // size == 0 时 new 也必须返回一个合法的指针
    if (size == 0)
        size = 1;
 
    while (true) {
 
        尝试进行内存的分配
 
        if (内存分配成功)
            return (成功分配的内存的地址);
 
        // 内存分配失败时，查找当前的 new-handling function
        // 因为没有直接获取到 new-handling function 的办法，因此只能这么做
        new_handler globalHandler = set_new_handler(0);
        set_new_handler(globalHandler);
 
        // 如果存在 new-handling function 则调用
        if (globalHandler) (*globalHandler)();
        // 不存在 new-handling function 则抛出异常
        else throw std::bad_alloc();
    }
}

这一些方面是我们需要注意的：operator new 可以接受 size 为 0 的内存分配且返回一个有效的指针；如果存在 new-handling function 那么在内存分配失败时会调用它并且再次尝试内存分配；如果不存在 new-handling function 失败时抛出 bad_alloc 异常。

要注意的是，一旦设置了 new-handling function 内存分配就会无限循环进行下去，为了避免无限循环的发生，new-handling function 必须做以下几件事中的一件（详细参考《Effective C++ Third Edition》 Item 49）：让有更多内存可用、设置另一个能发挥作用的 new-handler、删除当前的 new handler、抛出一个异常（bad_alloc 或者继承于 bad_alloc）、直接调用 abort() 或者 exit() 等函数。

对于 operator delete 的异常处理就简单一些，只需要保证能够安全的 delete 空指针即可：


void operator delete(void *rawMemory) throw()
{
    // 操作符可以接受空指针
    if (rawMemory == 0) return;
 
    释放内存
}

多态的问题（详细参考《ISO/IEC 14882》）

前面谈到了 new、delete（new[]、delete[]）操作符的继承，这里额外讨论一下多态的问题，显然我们只需要讨论 delete、delete[] 操作符：


struct B {
    virtual ~B();
    void operator delete(void*, size_t);
};
 
struct D : B {
    void operator delete(void*);
};
 
void f()
{
    B* bp = new D;
    delete bp;  //1: uses D::operator delete(void*)
}

通过上面的例子，我们可以看到，delete 时正确的调用了 D 的 operator delete 操作符。但是同样的，对于 delete[] 操作符工作就不正常了（因为对于 delete[] 操作符的检查是静态的）：


struct B {
    virtual ~B();
    void operator delete[](void*, size_t);
};
 
struct D : B {
    void operator delete[](void*, size_t);
};
 
void f(int i)
{
    D* dp = new D[i];
    delete [] dp;  //uses D::operator delete[](void*, size_t)
    B* bp = new D[i];
    delete[] bp;  //undefined behavior
}