Effective C++ 51：写 new 和 delete 时请遵循惯例

09/20 2015

Item 51: Adhere to convention when writing new and delete.

Item 50介绍了如何自定义new和delete但没有解释你必须遵循的惯例，这些惯例中有些并不直观，所以你需要记住它们！

operator new需要无限循环地获取资源，如果没能获取则调用"new handler"，不存在"new handler"时应该抛出异常；
operator new应该处理size == 0的情况；
operator delete应该兼容空指针；
operator new/delete作为成员函数应该处理size > sizeof(Base)的情况（因为继承的存在）。

外部operator new

Item 49指出了如何将operator new重载为类的成员函数，在此我们先看看如何实现一个外部（非成员函数）的operator new： operator new应当有正确的返回值，在内存不足时应当调用"new handler"，请求申请大小为0的内存时也可以正常执行，避免隐藏全局的（"normal form"）new。

给出返回值很容易。当内存足够时，返回申请到的内存地址；当内存不足时，根据Item 49描述的规则返回空或者抛出bad_alloc异常。
每次失败时调用"new handler"，并重复申请内存却不太容易。只有当"new handler"为空时才应抛出异常。
申请大小为零时也应返回合法的指针。允许申请大小为零的空间确实会给编程带来方便。

考虑到上述目标，一个非成员函数的operator new大致实现如下：

void * operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc){
    if(size == 0) size = 1;
    while(true){
        // 尝试申请
        void *p = malloc(size);

        // 申请成功
        if(p) return p;

        // 申请失败，获得new handler
        new_handler h = set_new_handler(0);
        set_new_handler(h);

        if(h) (*h)();
        else throw bad_alloc();
    }
}

size == 0时申请大小为1看起来不太合适，但它非常简单而且能正常工作。况且你不会经常申请大小为0的空间吧？
两次set_new_handler调用先把全局"new handler"设置为空再设置回来，这是因为无法直接获取"new handler"，多线程环境下这里一定需要锁。
while(true)意味着这可能是一个死循环。所以Item 49提到，"new handler"要么释放更多内存、要么安装一个新的"new handler"，如果你实现了一个无用的"new handler"这里就是死循环了。

成员operator new

重载operator new为成员函数通常是为了对某个特定的类进行动态内存管理的优化，而不是用来给它的子类用的。因为在实现Base::operator new()时，是基于对象大小为sizeof(Base)来进行内存管理优化的。

当然，有些情况你写的Base::operator new是通用于整个class及其子类的，这时这一条规则不适用。

class Base{
public:
    static void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);
};
class Derived: public Base{...};

Derived *p = new Derived;       // 调用了 Base::operator new ！

子类继承Base::operator new()之后，因为当前对象不再是假设的大小，该方法不再适合管理当前对象的内存了。可以在Base::operator new中判断参数size，当大小不为sizeof(Base)时调用全局的new：

void *Base::operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc){
    if(size != sizeof(Base)) return ::operator new(size);
    ...
}

上面的代码没有检查size == 0！这是C++神奇的地方，大小为0的独立对象会被插入一个char（见Item 39）。所以sizeof(Base)永远不会是0，所以size == 0的情况交给::operator new(size)去处理了。

这里提一下operator new[]，它和operator new具有同样的参数和返回值，要注意的是你不要假设其中有几个对象，以及每个对象的大小是多少，所以不要操作这些还不存在的对象。因为：

你不知道对象大小是什么。上面也提到了当继承发生时size不一定等于sizeof(Base)。
size实参的值可能大于这些对象的大小之和。因为Item 16中提到，数组的大小可能也需要存储。

外部operator delete

相比于new，实现delete的规则要简单很多。唯一需要注意的是C++保证了delete一个NULL总是安全的，你尊重该惯例即可。

同样地，先实现一个外部（非成员）的delete：

void operator delete(void *rawMem) throw(){
    if(rawMem == 0) return; 
    // 释放内存
}

成员operator delete

成员函数的delete也很简单，但要注意如果你的new转发了其他size的申请，那么delete也应该转发其他size的申请。

class Base{
public:
    static void * operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);
    static void operator delete(void *rawMem, std::size_t size) throw();
};
void Base::operator delete(void *rawMem, std::size_t size) throw(){
    if(rawMem == 0) return;     // 检查空指针
    if(size != sizeof(Base)){
        ::operator delete(rawMem);
    }
    // 释放内存
}

注意上面的检查的是rawMem为空，size是不会为空的。

其实size实参的值是通过调用者的类型来推导的（如果没有虚析构函数的话）：

Base *p = new Derived;  // 假设Base::~Base不是虚函数
delete p;               // 传入`delete(void *rawMem, std::size_t size)`的`size == sizeof(Base)`。

如果Base::~Base()声明为virtual，则上述size就是正确的sizeof(Derived)。这也是为什么Item 7指出析构函数一定要声明virtual。

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