C++ Primer笔记（十八）优化内存分配

来源：互联网发布：js格式化时间编辑：程序博客网时间：2024/04/29 04:46

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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);

void operator delete(void*);

void operator 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);

1）用operator new替代为：

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

alloc.deallocate(elements,end-elements);

2）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。

8、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);

9、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。

10、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。

[cpp] view plaincopy

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_t n) 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。

11、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：

[cpp] view plaincopy

#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;
}

12、接下来实现一个内存分配器基类。

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。

5）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。

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;  
  }  

0 0