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Effective C++读书笔记——item50（什么时候替换new和delete）

news 来源：原创 2025/5/18 4:24:40

在 C++ 中，有时候需要替换编译器提供的 operator new 和 operator delete 版本。下面详细介绍替换的原因、可能遇到的问题以及合适的替换时机，并给出相应的代码示例。

1. 替换 `new` 和 `delete` 的主要原因

监测使用错误：通过记录已分配地址和在分配块前后设置标志字节，可以检测内存泄漏、多次删除和数据上溢 / 下溢等错误。
提升性能：编译器提供的默认版本是为多种用途设计的，采用中间路线策略。如果对程序的动态内存应用模式有充分理解，自定义版本可能运行更快且需要更少的内存。
收集使用方法的统计数据：自定义版本可以方便地收集被分配区块大小、生存期、分配和释放顺序等信息。

2. 自定义 `operator new` 示例及问题

以下是一个简单的自定义 operator new 示例，用于检测数据上溢和下溢：

#include <iostream>
#include <new>

static const int signature = 0xDEADBEEF;
typedef unsigned char Byte;

// 此代码存在缺陷
void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc) {
    using namespace std;
    size_t realSize = size + 2 * sizeof(int);  // 增加请求大小以容纳标志字节
    void *pMem = std::malloc(realSize);        // 调用 malloc 获取内存
    if (!pMem) throw std::bad_alloc();

    // 在内存的开头和结尾写入标志字节
    *(static_cast<int*>(pMem)) = signature;
    *(reinterpret_cast<int*>(static_cast<Byte*>(pMem) + realSize - sizeof(int))) = signature;

    // 返回指向第一个标志字节之后的内存指针
    return static_cast<Byte*>(pMem) + sizeof(int);
}

该代码存在一些问题，例如没有遵循 operator new 的 C++ 惯例（如未包含调用 new-handling function 的循环），更微妙的问题是可能存在排列对齐问题。

3. 排列对齐问题

很多计算机架构要求特定类型的数据放置在具有特定性质的地址中，不遵守约束可能导致运行时硬件异常或性能下降。C++ 要求 operator new 返回适合任何数据类型排列的指针，上述代码返回的指针偏移了一个 int 大小，可能导致对齐不恰当。

4. 替换 `new` 和 `delete` 的合适时机

监测使用错误：记录已分配地址和检查标志字节，检测内存泄漏、多次删除和数据上溢 / 下溢等错误。
收集使用统计数据：收集被分配区块大小、生存期、分配和释放顺序等信息。
提升分配和回收速度：通用目的的分配器通常比自定义版本慢，特别是针对特定类型对象专门设计的自定义版本。单线程程序可以通过编写非线程安全分配器获得速度提升，但需确定这些函数是真正的瓶颈。

// 简单的单线程固定大小分配器示例
#include <vector>

template <typename T>
class FixedSizeAllocator {
private:
    std::vector<T*> freeList;

public:
    void* allocate() {
        if (freeList.empty()) {
            return ::operator new(sizeof(T));
        }
        void* p = freeList.back();
        freeList.pop_back();
        return p;
    }

    void deallocate(void* p) {
        freeList.push_back(static_cast<T*>(p));
    }
};

减少缺省内存管理的空间成本：通用目的的内存管理器通常比自定义版本使用更多的内存，针对小对象调谐的分配器可以消除这种成本。
调整缺省分配器不适当的排列对齐：某些编译器提供的 operator new 可能不能保证特定类型（如 double）的动态分配按照要求的字节对齐，替换为保证对齐的版本可以提升性能。
聚集相关的对象：使用 new 和 delete 的定位版本（placement versions），为特定数据结构创建独立的堆，降低页错误频率。
获得不同寻常的行为：例如在共享内存中分配和回收区块，或用零覆盖被回收的内存以提高数据安全性。