C++中的自定义内存管理

1，问题：

    1，new 关键字创建出来的对象位于什么地方？

       1，位于堆空间；

    2，有没有可能位于其它地方？

       1，有；

       2，通过一些方式可以使动态创建的对象位于静态存储区；

       3，这个存储区在程序结束后释放；

   

2，new/delete 被忽略的事实：

    1，new/delete 的本质是 C++ 预定义的操作符；

       1，new/delete 是关键字，但本质是预定义的操作符；

       2，C++ 中操作符可以重载；

    2，C++ 对这两个操作符做了严格的行为定义；

       1，new：

           1，获取足够大的内存空间（默认为堆空间）；

           2，在获取的空间中调用构造函数创建对象；

       2，delete：

           1，调用析构函数销毁对象；

           2，归还对象所占用的空间（默认为堆空间）；

    3，在 C++ 中能够重载 new/delete 操作符：

       1，全局重载（不推荐）；

           1，实际工程开发中不建议这样做

       2，局部重载（针对具体类型进行重载）；

           1，针对具体的类重载；

       3，重载 new/delete 的意义在于改变动态对象创建时的内存分配方式；

           1，可以将创建的对象放到其它的内存空间里面去；

    4，new/delete 的重载方式：

       1，代码示例：

// static member function
void* operator new(unsinged int size)  // 第一步获取内存，参数表示需要获取的内存大小；
{
     void* ret = NULL;
                  
    /* ret point to allocated memory */  // 第二步在内存中调用构造函数创建对象；
                  
    return ret;
}

// static member function
void operator delete (void* p)  // p 指针指向对应的对象地址，也就是要释放的地址；
{
    /* free the memory which is pointed by p */
}

       2，通过函数来对这两个操作符进行重载；

       3，一般针对具体类来重载，所以说 new/delete 的重载函数就是类的成员函数，并且这两个重载函数默认为静态成员函数，写不写 static 都是静态成员函数；

      

3，静态存储区中创建动态对象编程实验：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Test
{
    static const unsigned int COUNT = 4;
    
    static char c_buffer[];  // 本质是这里申请空间而下面只是标记使用而已；
    static char c_map[];
    
    int m_value;
public:
    void* operator new (unsigned int size)
    {
        void* ret = NULL;  // 如果这片内存已经满了，返回空；
        
        /* 查找在 c_buffer 里面那些位置是空闲的，可以用来创建 Test 对象 */
        for(int i=0; i<COUNT; i++)
        {
            if( !c_map[i] )  // 当前空间不可用了；
            {
                c_map[i] = 1;  // 标记为不可用；
                
                ret = c_buffer + i * sizeof(Test);  // 查找 c_buffer 这片可用内存空间的首地址，并返回这片空间；
                
                cout << "succeed to allocate memory: " << ret << endl;
                
                break;
            }
        }
        
        return ret;
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        if( p != NULL )  // 空指针时候什么都不处理；
        {
            char* mem = reinterpret_cast<char*>(p);
            int index = (mem - c_buffer) / sizeof(Test);  // 得到要释放的动态对象在 c_map 中的位置； 
            int flag = (mem - c_buffer) % sizeof(Test);  // 这些位置必须是固定的，如果 flag 不为 0，指针则不合法；
            
            if( (flag == 0) && (0 <= index) && (index < COUNT) )
            {
                c_map[index] = 0; // 释放这个地址，即标记这个地址可用；
                
                cout << "succeed to free memory: " << p << endl;
            }
        }
    }
};

char Test::c_buffer[sizeof(Test) * Test::COUNT] = {0};  // 定义一块静态的内存空间，内存空间想要存储的是 Test 对象，最多存储 4 个 Test 对象；
char Test::c_map[Test::COUNT] = {0};  // 标记数组，用于标记在那些位置已经创建了对象，作用是标记；

int main(int argc, char *argv[])
{
    cout << "===== Test Single Object =====" << endl;
     
    Test* pt = new Test;  // 这里是在 c_buffer 里面的静态存储区当中的空间生成的；
    
    delete pt;
    
    cout << "===== Test Object Array =====" << endl;
    
    Test* pa[5] = {0};
    
    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        pa[i] = new Test;
        
        cout << "pa[" << i << "] = " << pa[i] << endl;
    }
    
    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        cout << "delete " << pa[i] << endl;
        
        delete pa[i];
    }
    
    return 0;
}

    1，结论：

       1，new/delete 关键字是可以重载的；

       2，重载的意义是改变内存的分配方式，使得动态创建的对象不再位于堆空间里面；

       3，这个实验位于自定义的静态存储区里面的 c_buffer 数组当中； 

    2，拓展：

       1，工程中可以结合不同方法来应用 new/delete 特性；

       2，将本实验的方法和二阶构造法结合在一起，我们就可以创建一个类，并且规定这个类最多产生多少个对象；

       3，单例模式仅仅使得一个类只有一个对象存在，而这里的方法加上二阶构造就可以诞生 N 例模式；

   

4，问题：

    1，如何在指定的地址上创建 C++ 对象？

       1，我们已经掌握了在静态存储区里面创建对象，是否可以扩展下这个方法，在任意的地址上创建对象呢？

       2，通过重载 new/delete 也许就可以在指定的地址上创建对象；

   

5，设计思路：

    1，在类中重载 new/delete 操作符；

    2，在 new 的操作符重载函数中返回指定的地址；

    3，在 delete 操作符重载中标记对应的地址可用；

   

6，自定义动态对象的存储空间编程实验：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
    static unsigned int c_count;  // 动态实时做决定，所以这个地方就不能有常量；
    static char* c_buffer;
    static char* c_map;
    
    int m_value;
public:
    /* 动态指定想在什么类型上指定申请对象 */
    static bool SetMemorySource(char* memory, unsigned int size)   
    {
        bool ret = false;  // 返回值为 bool 类型，告诉函数调用者，当前动态空间设置是否成功；
        
        c_count = size / sizeof(Test);  // 计算传进来的空间可以创建多少对象；
        
        ret = (c_count && (c_map = reinterpret_cast<char*>(calloc(c_count, sizeof(char)))));
        
        if( ret )  // 空间至少为 1，且标记指针合法；
        {
            c_buffer = memory;  // 将指定空间设置到 c_buffer 上；
        }
        else  // 一切清零；
        {
            free(c_map);
            
            c_map = NULL;
            c_buffer = NULL;
            c_count = 0;
        }
        
        return ret;
    }
    
    void* operator new (unsigned int size)
    {
        void* ret = NULL;
        
        /* 有指定的一个具体空间，通过各种计算和验证，看下所指定的空间上面是否可以动态创建对象，标准是 c_count 大于 0，此时意味着通过 setMemorySource() 所指定的空间是可以创建 Test 对象的，则走 if 路径，否则的话，走 else 路径，通过 malloc() 函数得到一片空间； */
        if( c_count > 0 )  // 
        {
            for(int i=0; i<c_count; i++)
            {
                if( !c_map[i] )
                {
                    c_map[i] = 1;
                    
                    ret = c_buffer + i * sizeof(Test);
                    
                    cout << "succeed to allocate memory: " << ret << endl;
                    
                    break;
                }
            }
        }
        else
        {
            ret = malloc(size);  // 没有指定具体的在那个空间上生成对象时，通过 malloc 来申请默认的堆空间；
        }
        
        return ret;
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        if( p != NULL )
        {
            if( c_count > 0 )
            {
                char* mem = reinterpret_cast<char*>(p);
                int index = (mem - c_buffer) / sizeof(Test);
                int flag = (mem - c_buffer) % sizeof(Test);
                
                if( (flag == 0) && (0 <= index) && (index < c_count) )
                {
                    c_map[index] = 0;
                    
                    cout << "succeed to free memory: " << p << endl;
                }
            }
            else
            {
                free(p);  // 和上面对应
            }
        }
    }
};

unsigned int Test::c_count = 0;
char* Test::c_buffer = NULL;
char* Test::c_map = NULL;

int main(int argc, char *argv[])
{
    char buffer[12] = {0};  // 定义一片栈上空间，用于存放对象；
    
    Test::SetMemorySource(buffer, sizeof(buffer));
    
    cout << "===== Test Single Object =====" << endl;
     
    Test* pt = new Test;
    
    delete pt;
    
    cout << "===== Test Object Array =====" << endl;
    
    Test* pa[5] = {0};
    
    for(int i=0; i<5; i++)  // 只有 3 个对象的空间，则后两个对象指向为 NULL；
    {
        pa[i] = new Test;
        
        cout << "pa[" << i << "] = " << pa[i] << endl;
    }
    
    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        cout << "delete " << pa[i] << endl;
        
        delete pa[i];
    }
    
    return 0;
}

    1，通过重载 new/delete，我们可以在任意指定的位置动态创建 C++ 对象；

   

7，new[]/delete[] 与 new/delete 完全不同：

    1，动态对象数组创建通过 new[] 完成；

    2，动态对象数组的销毁通过 delete[] 完成；

    3，new[]/delete[] 能够被重载，进而改变内存管理方式；

       1，这是两个新的操作符；

   

8，new[]/delete[] 的重载方式：

    1，代码示例：

// static member function
void* operator new[] (unsigned int size)
{
    rerurn malloc(size);
}
       
// static member function
void operator delete[] (void* p)
{
     free(p);
}

    2，通过类的静态成员函数来重载，不写 static，这两个成员函数在类中也是      静态的；

 

9，注意事项：

    1，nwe[] 实际需要返回的内存空间可能比期望的要多；

       1，需要额外的空间来保存数组的信息；

       2，如数组长度信息，因为编译器要自动的为我们调用构造函数和析构函数，不保存长度信息，编译器不知道要调用多少次构造函数和析构函数；

    2，对象数组占用的内存中需要保存数组信息；

    3，数组信息用于确定构造函数和析构函数的调用次数；

   

10，动态数组的内存管理编程实验：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
    int m_value;
public:
    Test()
    {
        m_value = 0;
    }
    
    ~Test()
    {
    }
    
    void* operator new (unsigned int size)
    {
        cout << "operator new: " << size << endl;
        
        return malloc(size);
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        cout << "operator delete: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
    
    void* operator new[] (unsigned int size)
    {
        cout << "operator new[]: " << size << endl;
        
        return malloc(size);
    }
    
    void operator delete[] (void* p)
    {
        cout << "operator delete[]: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Test* pt = NULL;
    
    pt = new Test;  // operator new: 4；
     
    delete pt;  // operator delete: 0x8e5d008；
    
    pt = new Test[5];  // operator new[]: 24；这里多了四个字节，用于保存数组的大小信息，因为编译器自动为我们自调用构造函数和析构函数；
    
    delete[] pt;  // operator delete[]: 0x8e5d018；
    
    return 0;
}

    1，new/delete 和 new[]/delete[] 是完全不同的；

    2，通过重载的方式说明了它们的不同；

    3，意味着在实际的工程里面，有可能在 new 中函数的内存分配方式和 delete[] 中函数内存分配方式是不一样的，因此必须成对使用，必须要匹配；

    4，假设 new[] 动态创建数组是从栈上分配的空间，然后 delete 想要将空间归还到堆空间去，如果交叉使用，则意味着有可能把栈上的空间归还到堆空间上，程序会崩溃，所以要成对出现，不要交叉使用，因为它们 new/delete 和 new[]/delete[] 完全不同；

   

11，小结：

    1，new/delete 的本质为操作符；

    2，可以通过全局函数重载 new/delete（不推荐）；

    3，可以针对具体的类重载new/delete；

    4，new[]/delete[] 与 new/delete 完全不同；