C++ `new`/`delete` 操作符的全局重载：影响所有内存分配

好的，下面我们开始这场关于 C++ new/delete 全局重载的“内存狂欢”之旅！

讲座题目：C++ new/delete 全局重载：玩转你的内存世界

各位朋友们，大家好！

今天我们要聊点硬核的，关于 C++ 中 new 和 delete 操作符的全局重载。这玩意儿听起来有点吓人，好像要动手术一样。但别怕，其实就像给你的内存管理系统装个插件，让它更符合你的需求。

1. 为什么要重载 new/delete？

首先，我们要搞清楚，为什么要费劲巴拉地重载这两个操作符？难道 C++ 默认的不够好吗？

嗯，默认的 new/delete 已经很努力了，但它毕竟是通用的。在某些特定场景下，它可能不够高效，或者缺少一些我们需要的特性。

举几个栗子：

内存池： 如果你需要频繁地分配和释放小块内存，默认的 new/delete 可能会造成大量的内存碎片。这时，你可以使用内存池来管理这些小块内存，从而提高性能。
内存泄漏检测： 你可能想在程序中加入内存泄漏检测功能，以便及时发现并修复内存泄漏问题。通过重载 new/delete，你可以在每次分配和释放内存时记录相关信息，从而实现内存泄漏检测。
自定义内存分配策略： 也许你想实现一种特殊的内存分配策略，例如，优先从某个特定的内存区域分配内存，或者限制某个类对象的内存分配位置。
性能优化： 在某些性能敏感的应用中，默认的内存分配器可能成为瓶颈。通过重载 new/delete，你可以使用更高效的内存分配算法，从而提高程序的性能。
安全加固： 为了防止某些安全漏洞，你可能需要对内存分配进行一些额外的安全检查。

总之，重载 new/delete 就像给你的内存管理系统打了个补丁，让它更适合你的应用场景。

2. 如何重载 new/delete？

好了，废话不多说，直接上代码。

#include <iostream>
#include <cstdlib> // For std::malloc and std::free

// 重载全局 new 操作符
void* operator new(size_t size) {
    std::cout << "Global new called, size: " << size << std::endl;
    void* p = std::malloc(size);
    if (p == nullptr) {
        std::cout << "Memory allocation failed!" << std::endl;
        throw std::bad_alloc(); // 重要：分配失败时抛出异常
    }
    return p;
}

// 重载全局 new[] 操作符
void* operator new[](size_t size) {
    std::cout << "Global new[] called, size: " << size << std::endl;
    void* p = std::malloc(size);
    if (p == nullptr) {
        std::cout << "Memory allocation failed!" << std::endl;
        throw std::bad_alloc(); // 重要：分配失败时抛出异常
    }
    return p;
}

// 重载全局 delete 操作符
void operator delete(void* p) noexcept {
    std::cout << "Global delete called" << std::endl;
    std::free(p);
}

// 重载全局 delete[] 操作符
void operator delete[](void* p) noexcept {
    std::cout << "Global delete[] called" << std::endl;
    std::free(p);
}

int main() {
    int* ptr = new int(42);
    std::cout << "Value: " << *ptr << std::endl;
    delete ptr;

    int* arr = new int[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        arr[i] = i * 2;
    }
    delete[] arr;

    return 0;
}

这段代码重载了全局的 new、new[]、delete 和 delete[] 操作符。注意以下几点：

返回值： new 和 new[] 操作符必须返回一个 void* 类型的指针，指向分配的内存块。
参数： new 和 new[] 操作符接收一个 size_t 类型的参数，表示需要分配的内存大小（单位是字节）。
异常处理： 如果内存分配失败，new 和 new[] 操作符应该抛出一个 std::bad_alloc 异常。这是非常重要的，因为 C++ 标准要求 new 操作符在分配失败时抛出异常。
参数: delete 和 delete[] 接收一个 void*类型的指针，指向要释放的内存块。
noexcept: delete 和 delete[] 操作符应该被标记为 noexcept，表示它们不应该抛出异常。这是为了保证程序的稳定性。
替代方案： 在上面的代码中，我们使用了 std::malloc 和 std::free 来进行实际的内存分配和释放。你也可以使用其他的内存分配函数，例如 HeapAlloc（Windows）或 mmap（Linux）。

3. 重载 new/delete 的注意事项

重载 new/delete 是一项强大的技术，但同时也需要谨慎使用。以下是一些注意事项：

保持一致性： 你必须同时重载 new 和 delete 操作符，否则可能会导致内存泄漏或其他问题。也就是说，如果你重载了 new，那么你也必须重载 delete，反之亦然。
处理分配失败： 确保在内存分配失败时抛出 std::bad_alloc 异常。
避免递归调用： 在重载的 new 和 delete 操作符中，避免直接或间接地调用默认的 new 和 delete 操作符，否则可能会导致无限递归。可以使用malloc和free。
考虑对齐： 确保分配的内存块满足 C++ 的对齐要求。可以使用 std::align 来确保对齐。
小心使用placement new: Placement new允许你在已经分配好的内存上构造对象。重载全局new会影响placement new的使用，因此需要小心处理。
作用域： 全局重载会影响整个程序。如果在大型项目中，尽量避免全局重载，而是针对特定的类进行重载，以避免不必要的冲突。
标准库容器： 重载全局 new/delete 会影响标准库容器（例如 std::vector、std::string 等）的内存分配。如果你的重载实现与标准库容器的预期不符，可能会导致未定义的行为。

4. 内存池的实现

接下来，我们来实现一个简单的内存池。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstddef> // For std::byte

class MemoryPool {
public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t poolSize) : blockSize_(blockSize), poolSize_(poolSize) {
        pool_.resize(poolSize * blockSize);
        for (size_t i = 0; i < poolSize; ++i) {
            freeBlocks_.push_back(pool_.data() + i * blockSize);
        }
    }

    void* allocate() {
        if (freeBlocks_.empty()) {
            return nullptr; // Or throw an exception
        }
        void* block = freeBlocks_.back();
        freeBlocks_.pop_back();
        return block;
    }

    void deallocate(void* block) {
        freeBlocks_.push_back(static_cast<std::byte*>(block)); // Cast back to std::byte*
    }

private:
    size_t blockSize_;
    size_t poolSize_;
    std::vector<std::byte> pool_;
    std::vector<std::byte*> freeBlocks_; // Store pointers as std::byte*
};

// 使用内存池的类
class MyObject {
public:
    MyObject(int value) : value_(value) {}

    int getValue() const { return value_; }

private:
    int value_;
};

// 重载 MyObject 类的 new 和 delete 操作符，使用内存池
MemoryPool objectPool(sizeof(MyObject), 10); // 10 个 MyObject 对象的内存池

void* operator new(size_t size) {
    void* p = objectPool.allocate();
    if (p == nullptr) {
      std::cout << "Memory allocation failed in MemoryPool!" << std::endl;
      throw std::bad_alloc();
    }
    return p;
}

void operator delete(void* p) noexcept {
    objectPool.deallocate(p);
}

int main() {
    MyObject* obj1 = new MyObject(10);
    std::cout << "Object 1 value: " << obj1->getValue() << std::endl;
    delete obj1;

    MyObject* obj2 = new MyObject(20);
    std::cout << "Object 2 value: " << obj2->getValue() << std::endl;
    delete obj2;

    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了一个 MemoryPool 类，用于管理固定大小的内存块。然后，我们重载了 MyObject 类的 new 和 delete 操作符，使其使用内存池进行内存分配和释放。

5. 总结

重载 C++ 的 new/delete 操作符是一项强大的技术，可以让你更好地控制内存管理。但是，它也需要谨慎使用，以避免潜在的问题。

希望今天的讲座能帮助你更好地理解和使用这项技术。记住，玩转内存世界，需要胆大心细！

一些补充说明

placement new: placement new 允许你在已经分配好的内存上构造对象。它不分配内存，只是调用对象的构造函数。重载全局 new/delete 不会影响 placement new 的行为。
类级别的重载: 你可以只针对特定的类重载 new/delete 操作符，而不是全局重载。这可以避免不必要的冲突。
调试技巧: 如果你在重载 new/delete 后遇到问题，可以使用调试器来跟踪内存分配和释放的过程，以便找到问题的根源。

表格总结

特性	全局重载	类级别重载	默认行为
影响范围	整个程序	特定类	默认的内存分配器
灵活性	低，影响所有内存分配	高，只影响特定类的内存分配	中等
复杂性	中等，需要小心处理一致性和异常	中等，需要小心处理继承和多态	低
适用场景	需要全局定制内存分配策略的场景	需要针对特定类进行内存优化的场景	通用场景
可能的问题	可能与其他库或代码冲突，难以调试	可能与继承和多态产生问题，需要仔细设计	性能瓶颈，内存碎片
是否影响placement new	间接影响，placement new 不分配内存，但全局的 operator new 会影响分配	间接影响，placement new 不分配内存，但 operator new 会影响分配	不影响，placement new 不分配内存

希望这个表格能让你更清晰地了解全局重载、类级别重载和默认行为之间的区别。

好了，今天的分享就到这里。感谢大家的聆听！希望大家在C++的内存世界里玩得开心！

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