C++ Placement Delete：与 Placement New 对应的销毁操作

C++ Placement Delete：与 Placement New 对应的销毁操作 (讲座模式)

大家好！欢迎来到“C++内存管理奇妙夜”特别节目，我是今晚的主讲人，人称“内存老司机”的码农张。今天咱们要聊聊一个C++里相对冷门，但关键时刻能救命的话题：Placement Delete。

很多同学可能对 new 和 delete 烂熟于心，但是一提到 placement new 就开始挠头，更别提 placement delete 了。别担心，今天咱们就把这块硬骨头啃下来，保证大家听完之后，不仅能明白 placement delete 是什么，还能知道它存在的意义，以及在什么情况下应该使用它。

1. new 和 delete：C++ 内存管理的基石

首先，咱们简单回顾一下 new 和 delete。这俩哥们是C++里负责动态内存分配和释放的。

• new: 负责在堆(heap)上分配内存，并返回指向分配内存的指针。
• delete: 负责释放 new 分配的内存，归还给操作系统。

int* ptr = new int; // 在堆上分配一个 int 大小的内存
*ptr = 10;
delete ptr;       // 释放 ptr 指向的内存
ptr = nullptr;    // 养成好习惯，释放后置空指针

这很基础，对吧？ 如果你觉得这部分很陌生，建议先复习一下C++的内存管理基础知识。

2. Placement New：精确定位，妙手回春

Placement new 不是普通的 new，它实际上是一个函数重载。它允许你在已分配好的内存上构造对象。换句话说，它不会分配新的内存，而是利用已有的内存空间。

它的典型用法如下：

#include <new>  // 必须包含这个头文件

char buffer[100]; // 预先分配好的内存

// 在 buffer 上构造一个 int 对象
int* ptr = new (buffer) int(42);

// 注意：不能直接 delete ptr! 因为 buffer 的内存不是 new 分配的
// 而是提前分配好的。

// 手动调用析构函数来销毁对象
ptr->~int();

// 释放 buffer 的内存（如果 buffer 是动态分配的，才需要释放）
// 如果 buffer 是栈上分配的，就无需释放，函数结束时会自动释放。

为什么要用 Placement New 呢？

1. 性能优化： 避免频繁的内存分配和释放，特别是在高性能要求的场景下。
2. 内存池： 实现自定义的内存池，管理内存分配，减少内存碎片。
3. 特定硬件： 在嵌入式系统或特定硬件上，可能需要将对象放置在特定的内存地址。

Placement New 的语法：

Placement new 的语法形式是 new (address) Type(arguments)，其中：

• address：指向已分配内存的指针。
• Type：要构造的对象的类型。
• arguments：构造函数的参数。

一个简单的例子:

#include <iostream>
#include <new>

class MyClass {
public:
    MyClass(int value) : data(value) {
        std::cout << "MyClass constructor called with value: " << data << std::endl;
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destructor called with value: " << data << std::endl;
    }
    void printData() {
        std::cout << "Data: " << data << std::endl;
    }

private:
    int data;
};

int main() {
    // 预先分配一块内存
    char buffer[sizeof(MyClass)];

    // 使用 placement new 在 buffer 上构造 MyClass 对象
    MyClass* obj = new (buffer) MyClass(123);

    // 使用对象
    obj->printData();

    // 手动调用析构函数
    obj->~MyClass();

    return 0;
}

重点: 记住，placement new 只是构造对象，不负责内存分配，因此也不负责内存释放。

3. Placement Delete：亡羊补牢，犹未晚矣

关键来了！如果说 placement new 是在已有的地基上盖房子，那么 placement delete 就是房子着火后，消防队来灭火。

Placement Delete 是什么？

Placement delete 是一个可选的 operator delete 重载形式。它只在 placement new 构造对象时抛出异常的情况下才会被调用。 它的作用是清理在构造对象之前可能已经分配的资源（例如，在构造函数中分配的内存），以防止内存泄漏。

为什么需要 Placement Delete？

考虑以下情况：

1. 你使用 placement new 在预先分配的内存上构造对象。
2. 构造函数的执行过程中抛出了异常。
3. 如果没有 placement delete，那么预先分配的内存可能永远无法释放，造成内存泄漏。

Placement delete 就像一个错误处理机制，在构造失败时，给你一个清理现场的机会。

Placement Delete 的语法：

class MyClass {
public:
    MyClass(int value) : data(value) {
        std::cout << "MyClass constructor called with value: " << data << std::endl;
        // 模拟构造函数抛出异常
        if (value < 0) {
            throw std::runtime_error("Value must be non-negative");
        }
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destructor called with value: " << data << std::endl;
    }
    void printData() {
        std::cout << "Data: " << data << std::endl;
    }

    // Placement delete 的重载形式
    static void operator delete(void* ptr, size_t size, std::nothrow_t const& nothrow_value) noexcept {
        std::cout << "Placement delete called!" << std::endl;
        // 这里可以进行资源清理操作，例如释放构造函数中分配的内存
    }

private:
    int data;
};

int main() {
    char* buffer = new char[sizeof(MyClass)];

    try {
        // 使用 placement new 构造对象
        MyClass* obj = new (buffer) MyClass(-1); // 构造函数会抛出异常
        // 如果构造成功，就可以使用对象
        obj->printData();
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
        // 在这里不需要手动调用析构函数，placement delete 会自动调用
    }

    // 释放 buffer 的内存 (因为buffer 是 new char[] 分配的，所以要 delete[])
    delete[] buffer;
    return 0;
}

注意点:

• Placement delete 必须是 static 的，因为它是在对象构造之前被调用的。
• Placement delete 的参数列表必须与对应的 placement new 的参数列表匹配。
• Placement delete 只有在构造函数抛出异常时才会被调用。
• 如果你重载了 placement new， 强烈建议你同时重载对应的 placement delete，以确保异常安全。

一个更完整的例子，展示 placement new 和 placement delete 的配合使用：

#include <iostream>
#include <new>

class Resource {
public:
    Resource() {
        std::cout << "Resource acquired!" << std::endl;
        data = new int[10]; // 分配一些内存
    }
    ~Resource() {
        std::cout << "Resource released!" << std::endl;
        delete[] data; // 释放内存
    }

private:
    int* data;
};

class MyClass {
public:
    MyClass(int value) : data(value), resource(nullptr) {
        std::cout << "MyClass constructor called with value: " << data << std::endl;
        resource = new Resource(); // 在构造函数中分配资源
        if (value < 0) {
            throw std::runtime_error("Value must be non-negative");
        }
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destructor called with value: " << data << std::endl;
        delete resource; // 在析构函数中释放资源
    }
    void printData() {
        std::cout << "Data: " << data << std::endl;
    }

    // Placement delete 的重载形式
    static void operator delete(void* ptr, size_t size, std::nothrow_t const& nothrow_value) noexcept {
        std::cout << "Placement delete called!" << std::endl;
        // 在这里进行资源清理操作，例如释放构造函数中分配的内存
        // 注意：这里不能直接 delete ptr，因为 ptr 指向的内存不是 new 分配的，而是预先分配好的。
        // 如果 MyClass 的构造函数分配了资源，需要在 placement delete 中释放这些资源。
        MyClass* obj = static_cast<MyClass*>(ptr);
        if (obj->resource != nullptr) {
            delete obj->resource; // 释放 resource
            obj->resource = nullptr;
        }

        // 这里不能手动调用析构函数，因为 placement delete 只是在构造函数抛出异常时才会被调用，
        // 此时对象还没有完全构造完成，调用析构函数可能会导致未定义行为。
    }

private:
    int data;
    Resource* resource;
};

int main() {
    char* buffer = new char[sizeof(MyClass)];

    try {
        // 使用 placement new 构造对象
        MyClass* obj = new (buffer, std::nothrow) MyClass(-1); // 构造函数会抛出异常
        // 如果构造成功，就可以使用对象
        if(obj != nullptr){
          obj->printData();
          obj->~MyClass();
        }

    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
        // 在这里不需要手动调用析构函数，placement delete 会自动调用
    }

    // 释放 buffer 的内存 (因为buffer 是 new char[] 分配的，所以要 delete[])
    delete[] buffer;
    return 0;
}

在这个例子中，MyClass 的构造函数分配了一个 Resource 对象。如果 MyClass 的构造函数抛出异常，placement delete 会被调用，它会释放 Resource 对象，防止内存泄漏。

4. 何时使用 Placement Delete？

• 当你使用了 placement new，并且构造函数可能会抛出异常时。
• 当你需要在构造函数抛出异常时，清理已经分配的资源，防止内存泄漏时。
• 当你希望提供更强的异常安全性保证时。

5. Placement Delete 的一些注意事项

• Placement delete 是一个高级特性，通常只有在需要高度控制内存管理和异常安全性的情况下才使用。
• 确保 placement new 和 placement delete 的参数列表匹配，否则编译器可能无法找到正确的 delete 函数。
• 在 placement delete 中，不要尝试释放 placement new 使用的内存，因为这块内存不是由 new 分配的。
• Placement delete 只能在构造函数抛出异常时被调用，不能手动调用。
• 使用 std::nothrow 版本的 placement new 时，不会抛出异常，而是返回空指针。在这种情况下，placement delete 不会被调用。

6. 总结

Placement delete 是 C++ 中一个重要的异常处理机制，它与 placement new 配合使用，可以在构造函数抛出异常时，清理已经分配的资源，防止内存泄漏。虽然它不是每天都会用到的特性，但在某些特定的场景下，它可以发挥巨大的作用。

希望今天的讲座能帮助大家更好地理解 placement delete 的概念和用法。记住，理解内存管理是成为一名优秀的 C++ 程序员的关键。

最后，留给大家一道思考题：

如果我在 placement new 构造对象时，使用了自定义的内存池，那么 placement delete 应该如何实现？

欢迎大家在评论区留言讨论！ 感谢大家的收听，我们下期再见！