【C++特殊工具与技术】优化内存分配(四)：定位new表达式、类特定的new、delete表达式

发布于：2025-06-13 ⋅ 阅读:(23) ⋅ 点赞:(0)

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一、定位 new 表达式（Placement New）

1.1 什么是定位 new？

1.2 语法格式

1.3 为什么需要定位 new？

1.4 代码示例：基于定位 new 的内存池

1.5 注意事项

二、类特定的new/delete表达式

2.1 为什么需要类特定的new/delete？

2.2 语法规则

2.3 代码示例：带内存池和分配统计的类

三、定位 new 与类特定new的协同使用

3.1 场景需求

3.2 代码示例：延迟构造的对象

四、常见问题与最佳实践

4.1 定位 new 的常见误区

4.2 类特定new/delete的设计原则

4.3 性能优化建议

五、总结

在 C++ 中，内存管理是性能优化和资源控制的核心。除了标准的new/delete操作符外，C++ 还提供了两种高级机制：定位 new 表达式（Placement New）和类特定的new/delete表达式（Class-specific new/delete）。

一、定位 new 表达式（Placement New）

1.1 什么是定位 new？

定位 new（Placement New）是 C++ 的一种特殊语法，允许在 已分配的原始内存（Raw Memory）中直接构造对象。与普通new不同，它不负责内存分配，仅执行对象的构造过程。

核心特点：

  • 不分配内存：需要用户提前提供已分配的内存地址。
  • 直接调用构造函数：在指定内存地址上构造对象。
  • 头文件依赖：需要包含<new>头文件。

1.2 语法格式

定位 new 的语法如下：

#include <new>  // 必须包含此头文件

// 在已分配的内存p上构造类型T的对象
T* obj = new (p) T(构造参数);

其中：

  • p是指向已分配内存的指针（通常是void*类型）。
  • T是要构造的对象类型。
  • 构造参数是传递给T构造函数的参数（可选）。

1.3 为什么需要定位 new？

普通new的执行流程包含两步：

  1. 调用operator new分配内存（可能抛出std::bad_alloc异常）。
  2. 调用对象的构造函数。

而定位 new 跳过了第一步，直接在已有内存上构造对象。其典型应用场景包括：

  • 内存池（Memory Pool）：预先分配大块内存，重复利用内存块构造对象（避免频繁调用malloc/free）。
  • 嵌入式系统：在固定物理地址（如硬件寄存器映射地址）创建对象。
  • 自定义内存管理：配合operator new实现更灵活的内存分配策略。

1.4 代码示例：基于定位 new 的内存池

场景描述：假设我们需要频繁创建和销毁大量小对象（如游戏中的粒子），使用普通new会导致内存碎片和性能下降。通过内存池预先分配连续内存块，再用定位 new 构造对象，可以显著提升效率。

实现代码：

#include <iostream>
#include <new>
#include <vector>

// 内存池类（简化版）
class MemoryPool {
private:
    char* pool;         // 内存池起始地址
    size_t block_size;  // 每个内存块的大小
    size_t block_num;   // 内存块数量
    bool* used;         // 记录内存块是否被使用

public:
    // 构造函数：初始化内存池
    MemoryPool(size_t block_size, size_t block_num)
        : block_size(block_size), block_num(block_num) {
        // 分配连续内存（对齐处理：简化示例，实际需考虑对齐）
        pool = new char[block_size * block_num];
        used = new bool[block_num]{false};  // 初始化为未使用
    }

    // 分配一个内存块（返回原始内存地址）
    void* allocate() {
        for (size_t i = 0; i < block_num; ++i) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return pool + i * block_size;
            }
        }
        return nullptr;  // 内存池已满
    }

    // 释放一个内存块
    void deallocate(void* p) {
        if (p < pool || p >= pool + block_size * block_num) return;
        size_t index = (static_cast<char*>(p) - pool) / block_size;
        used[index] = false;
    }

    // 析构函数：释放内存池
    ~MemoryPool() {
        delete[] pool;
        delete[] used;
    }
};

// 测试类：需要频繁创建的对象
class Particle {
private:
    int id;
public:
    Particle(int id) : id(id) {
        std::cout << "Particle " << id << " 构造完成" << std::endl;
    }

    ~Particle() {
        std::cout << "Particle " << id << " 析构完成" << std::endl;
    }

    void print() const {
        std::cout << "Particle " << id << " 正在运行" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 初始化内存池：每个块64字节（足够容纳Particle），共10个块
    MemoryPool pool(64, 10);

    // 使用定位new构造对象
    std::vector<Particle*> particles;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        void* mem = pool.allocate();
        if (!mem) {
            std::cerr << "内存池不足！" << std::endl;
            break;
        }
        // 在内存池的内存上构造Particle对象
        Particle* p = new (mem) Particle(i);
        particles.push_back(p);
    }

    // 调用对象方法
    for (auto p : particles) {
        p->print();
    }

    // 显式调用析构函数（定位new不会自动调用析构）
    for (auto p : particles) {
        p->~Particle();  // 必须手动调用析构！
        pool.deallocate(p);  // 释放内存块回内存池
    }

    return 0;
}

内存池类MemoryPool：

  • 预先分配连续内存（pool），并通过used数组标记每个内存块的使用状态。
  • allocate()方法查找空闲内存块并返回其地址。
  • deallocate()方法将内存块标记为空闲。

测试类Particle：构造函数和析构函数打印日志，方便观察生命周期。

主函数：

  • 通过内存池分配原始内存，使用定位 new 构造Particle对象。
  • 手动调用析构函数（~Particle()）并释放内存块回内存池（否则会导致内存泄漏）。

运行结果： 

1.5 注意事项

  • 手动调用析构函数：定位 new 构造的对象不会自动调用析构函数，必须手动调用obj->~T()释放资源（如关闭文件、释放堆内存等）。
  • 内存对齐：如果对象需要对齐（如alignas(16)），内存池分配的内存必须满足对齐要求（可通过std::align或自定义对齐分配实现）。
  • 异常处理：如果构造函数抛出异常，定位 new 会自动回滚（不影响已分配的内存）。 

二、类特定的new/delete表达式

2.1 为什么需要类特定的new/delete？

默认情况下，new/delete使用全局的operator new/operator delete分配内存，这可能无法满足某些场景的需求：

  • 性能优化：高频创建的类需要更高效的内存分配（如内存池）。
  • 内存对齐：某些硬件或算法需要特定对齐的内存（如 SIMD 指令要求 128 位对齐）。
  • 调试与监控：需要记录类的内存分配次数、大小，或检测内存泄漏。

通过重载类的operator new和operator delete，可以为特定类定制内存分配逻辑。

2.2 语法规则

类特定的operator new和operator delete是类的静态成员函数（无需实例化即可调用），其语法如下： 

class MyClass {
public:
    // 普通版本：分配单个对象
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void* p, size_t size);

    // 数组版本：分配对象数组
    static void* operator new[](size_t size);
    static void operator delete[](void* p, size_t size);

    // 可选：带额外参数的版本（如对齐）
    static void* operator new(size_t size, std::align_val_t align);
    static void operator delete(void* p, std::align_val_t align);
};
  • size参数：由编译器自动传递，代表需要分配的内存大小（对于普通对象是sizeof(MyClass)，数组是sizeof(MyClass)*N + 额外开销）。
  • align_val_t参数：C++17 引入，用于指定对齐要求（当类使用alignas修饰时自动传递）。
  • 必须与全局operator new的行为兼容（如分配失败时抛出std::bad_alloc异常）。

2.3 代码示例：带内存池和分配统计的类

场景描述

设计一个Widget类，要求：

  1. 所有实例通过内存池分配，减少内存碎片。

  2. 统计类的总分配次数和总分配内存大小。

  3. 支持自定义对齐（如 32 字节对齐）。

实现代码

#include <iostream>
#include <new>
#include <vector>
#include <cstdalign>  // 对齐相关头文件

// 全局统计信息
struct AllocStats {
    size_t count = 0;       // 分配次数
    size_t total_bytes = 0; // 总分配字节数
};

// 内存池（支持对齐）
class AlignedMemoryPool {
private:
    char* pool;
    size_t block_size;
    size_t block_num;
    bool* used;
    std::align_val_t align;  // 对齐要求

public:
    AlignedMemoryPool(size_t block_size, size_t block_num, std::align_val_t align)
        : block_size(block_size), block_num(block_num), align(align) {
        // 分配对齐内存（使用std::aligned_alloc）
        pool = static_cast<char*>(std::aligned_alloc(static_cast<size_t>(align), block_size * block_num));
        used = new bool[block_num]{false};
    }

    void* allocate() {
        for (size_t i = 0; i < block_num; ++i) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return pool + i * block_size;
            }
        }
        return nullptr;
    }

    void deallocate(void* p) {
        if (p < pool || p >= pool + block_size * block_num) return;
        size_t index = (static_cast<char*>(p) - pool) / block_size;
        used[index] = false;
    }

    ~AlignedMemoryPool() {
        std::free(pool);  // 对齐内存用std::free释放
        delete[] used;
    }
};

// 带内存池和统计的Widget类
class Widget {
private:
    int data;
    static AllocStats stats;        // 分配统计
    static AlignedMemoryPool pool;  // 类共享的内存池

public:
    // 构造函数
    Widget(int data) : data(data) {}

    // 析构函数
    ~Widget() {}

    // 重载operator new（普通版本）
    static void* operator new(size_t size) {
        void* mem = pool.allocate();
        if (!mem) {
            throw std::bad_alloc();  // 分配失败抛出异常
        }
        // 更新统计信息
        stats.count++;
        stats.total_bytes += size;
        return mem;
    }

    // 重载operator delete（普通版本）
    static void operator delete(void* p, size_t size) {
        pool.deallocate(p);
        // 更新统计信息
        stats.count--;
        stats.total_bytes -= size;
    }

    // 重载operator new（对齐版本，C++17+）
    static void* operator new(size_t size, std::align_val_t align) {
        // 这里简化处理：假设内存池已按align对齐
        void* mem = pool.allocate();
        if (!mem) {
            throw std::bad_alloc();
        }
        stats.count++;
        stats.total_bytes += size;
        return mem;
    }

    // 重载operator delete（对齐版本）
    static void operator delete(void* p, std::align_val_t align) {
        pool.deallocate(p);
        stats.count--;
        stats.total_bytes -= align;  // 简化处理，实际应使用size参数
    }

    // 打印统计信息
    static void printStats() {
        std::cout << "Widget分配统计：" << std::endl
                  << "  总分配次数: " << stats.count << std::endl
                  << "  总分配字节数: " << stats.total_bytes << std::endl;
    }
};

// 初始化静态成员
AllocStats Widget::stats;
AlignedMemoryPool Widget::pool(
    sizeof(Widget) + alignof(Widget),  // 内存块大小（考虑对齐填充）
    10,                                // 10个内存块
    std::align_val_t(32)               // 32字节对齐
);

int main() {
    std::vector<Widget*> widgets;

    // 创建5个Widget对象
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        try {
            Widget* w = new Widget(i);
            widgets.push_back(w);
        } catch (const std::bad_alloc& e) {
            std::cerr << "分配失败: " << e.what() << std::endl;
            break;
        }
    }

    Widget::printStats();  // 打印分配统计

    // 释放对象
    for (auto w : widgets) {
        delete w;
    }

    Widget::printStats();  // 再次打印（应恢复为0）

    return 0;
}

①全局统计结构AllocStats：记录类的分配次数和总内存大小。

②对齐内存池AlignedMemoryPool：使用std::aligned_alloc分配对齐内存（支持 32 字节对齐）。

③Widget类的重载方法：

  • operator new从内存池分配内存，并更新统计信息。

  • operator delete将内存归还内存池，并更新统计信息。

  • 支持对齐版本（C++17），满足需要高对齐的场景（如 SIMD 指令）。

运行结果：

Widget分配统计：
  总分配次数: 5
  总分配字节数: 400  // 假设每个Widget占80字节（含对齐填充），5*80=400
Widget分配统计：
  总分配次数: 0
  总分配字节数: 0

三、定位 new 与类特定new的协同使用

3.1 场景需求

在某些情况下，需要结合类特定new和定位 new：

  • 类特定new负责分配内存（可能来自内存池）。
  • 定位 new 在已分配的内存上构造对象（如延迟构造）。

3.2 代码示例：延迟构造的对象

#include <iostream>
#include <new>

class HeavyObject {
private:
    int* data;  // 大数组模拟"重"资源

public:
    HeavyObject() {
        data = new int[1000000];  // 模拟大量内存分配
        std::cout << "HeavyObject 构造完成" << std::endl;
    }

    ~HeavyObject() {
        delete[] data;
        std::cout << "HeavyObject 析构完成" << std::endl;
    }

    void work() const {
        std::cout << "HeavyObject 工作中..." << std::endl;
    }

    // 类特定new：普通版本（分配内存）
    static void* operator new(size_t size) {
        std::cout << "类特定new：分配 " << size << " 字节" << std::endl;
        return ::operator new(size);  // 调用全局new分配内存
    }

    // 类特定delete：普通版本（释放内存）
    static void operator delete(void* p, size_t size) {
        std::cout << "类特定delete：释放 " << size << " 字节" << std::endl;
        ::operator delete(p);  // 调用全局delete释放内存
    }

    // 定位new专用重载：接受void*参数
    static void* operator new(size_t size, void* ptr) {
        std::cout << "定位new：在地址 " << ptr << " 构造对象" << std::endl;
        return ptr;  // 直接返回传入的内存地址
    }

    // 定位new配套的delete（用于构造失败时的回滚）
    static void operator delete(void* ptr, void*) noexcept {
        std::cout << "定位delete：无需释放内存（由用户管理）" << std::endl;
        // 定位new的delete不执行实际释放，因为内存由用户管理
    }
};

int main() {
    // 1. 分配原始内存（调用类特定new）
    void* mem = HeavyObject::operator new(sizeof(HeavyObject));

    // 2. 使用定位new构造对象
    HeavyObject* obj = new (mem) HeavyObject();

    // 3. 使用对象
    obj->work();

    // 4. 显式调用析构函数（定位new需要手动析构）
    obj->~HeavyObject();

    // 5. 释放原始内存（调用类特定delete）
    HeavyObject::operator delete(mem, sizeof(HeavyObject));

    return 0;
}

关键流程：

  1. 分配内存：通过类特定operator new分配原始内存（不构造对象）。
  2. 构造对象：使用定位 new 在原始内存上调用构造函数。
  3. 析构对象：手动调用析构函数释放资源。
  4. 释放内存：通过类特定operator delete释放原始内存。

 运行结果：

四、常见问题与最佳实践

4.1 定位 new 的常见误区

  • 忘记调用析构函数：定位 new 构造的对象不会自动析构，若对象持有资源（如堆内存、文件句柄），会导致资源泄漏。
  • 重复构造：在同一块内存上多次调用定位 new（覆盖未析构的对象）会导致未定义行为。

4.2 类特定new/delete的设计原则

  • 与全局行为兼容：分配失败时应抛出std::bad_alloc，释放空指针应安全（不执行操作）。
  • 避免内存泄漏：确保operator delete正确释放operator new分配的内存（尤其是自定义内存池时）。
  • 对齐处理：若类需要对齐（如alignas(16)），需重载对齐版本的operator new/delete。

4.3 性能优化建议

  • 内存池：高频创建的小对象应使用内存池（减少malloc调用次数）。
  • 缓存友好：通过类特定new让相关对象分配到连续内存（提升 CPU 缓存命中率）。
  • 避免碎片：数组对象使用operator new[]分配连续内存（而非多个operator new）。 

五、总结

技术 核心功能 典型场景 关键注意事项
定位 new 在已分配内存上构造对象 内存池、固定地址对象、延迟构造 手动调用析构函数
类特定new/delete 自定义类的内存分配逻辑 性能优化、内存对齐、分配统计 静态成员、异常安全、对齐支持

通过灵活运用定位 new 和类特定new/delete，可以显著提升 C++ 程序的内存管理效率，满足高性能、低延迟或特定硬件的需求。在实际项目中，建议结合内存池、对齐分配等技术，根据具体场景选择合适的内存管理策略。

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