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 = ;

     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=; i<COUNT; i++)
         {
             if( !c_map[i] )  // 当前空间不可用了；
             {
                 c_map[i] = ;  // 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 == ) && ( <= index) && (index < COUNT) )
             {
                 c_map[index] = ; // 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] = {};  // 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] = {};  // 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[] = {};

     for(int i=; i<; i++)
     {
         pa[i] = new Test;

         cout << "pa[" << i << "] = " << pa[i] << endl;
     }

     for(int i=; i<; i++)
     {
         cout << "delete " << pa[i] << endl;

         delete pa[i];
     }

     return ;
 }

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 = ;
         }

         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 >  )  //
         {
             for(int i=; i<c_count; i++)
             {
                 if( !c_map[i] )
                 {
                     c_map[i] = ;

                     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 >  )
             {
                 char* mem = reinterpret_cast<char*>(p);
                 int index = (mem - c_buffer) / sizeof(Test);
                 int flag = (mem - c_buffer) % sizeof(Test);

                 if( (flag == ) && ( <= index) && (index < c_count) )
                 {
                     c_map[index] = ;

                     cout << "succeed to free memory: " << p << endl;
                 }
             }
             else
             {
                 free(p);  // 和上面对应
             }
         }
     }
 };

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

 int main(int argc, char *argv[])
 {
     char buffer[] = {};  // 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[] = {};

     for(int i=; i<; 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=; i<; i++)
     {
         cout << "delete " << pa[i] << endl;

         delete pa[i];
     }

     return ;
 }

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 = ;
     }

     ~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[];  // 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 ;
 }

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；