深入C++：operator new与operator delete重载探秘

目录

一、C++ 内存管理初印象

二、operator new 和 operator delete 的基本原理

（一）operator new 的工作机制

（二）operator delete 的工作机制

三、为什么要重载 operator new 和 operator delete

（一）优化内存分配效率

（二）实现自定义内存管理策略

四、如何重载 operator new 和 operator delete

（一）重载的基本语法和规则

（二）类专属的 operator new 和 operator delete 重载

（三）全局 operator new 和 operator delete 重载

五、重载 operator new 和 operator delete 的注意事项

（一）配对使用原则

（二）处理内存分配失败的情况

（三）避免与 STL 库冲突

六、实际案例分析

（一）内存池的实现

（二）性能对比测试

七、总结与展望

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一、C++ 内存管理初印象

        在 C++ 编程的世界里，内存管理堪称基石般的存在，其重要性怎么强调都不为过。内存管理的优劣，直接关乎程序的性能表现、稳定性以及资源利用率。一旦内存管理出现问题，比如内存泄漏，随着程序运行时间的增加，内存不断被消耗却得不到释放，最终会导致系统内存耗尽，程序崩溃；再比如野指针的产生，对其进行操作可能会导致程序访问非法内存地址，引发未定义行为，让程序出现各种难以调试的诡异问题。

        C++ 中，动态内存的分配和释放主要依靠new和delete操作符 。当我们使用new创建一个对象时，它会在堆上为该对象分配内存，并调用对象的构造函数进行初始化。例如：

int* num = new int(5);

        这行代码在堆上分配了一个int类型的内存空间，并将其初始化为 5 ，num指针指向这块内存。

而delete的作用则是释放由new分配的内存，并调用对象的析构函数。像这样：

delete num;

        这就释放了num指向的内存空间，防止内存泄漏。

        那operator new和operator delete函数又是什么呢？其实，new和delete操作符背后调用的就是operator new和operator delete函数 。operator new负责分配内存，当new操作符被使用时，它首先调用operator new函数来获取所需的内存空间，然后在这块内存上调用对象的构造函数；operator delete则负责释放内存，delete操作符会先调用对象的析构函数，然后调用operator delete函数来释放内存。简单来说，operator new和operator delete是内存分配和释放的底层实现函数，而new和delete操作符则为我们提供了更高级、更方便的语法糖，让我们能更简洁地进行内存管理操作。

二、operator new 和 operator delete 的基本原理

（一）operator new 的工作机制

        operator new的主要职责是在堆上分配指定大小的内存空间 。它的实现其实是基于 C 语言的malloc函数。当我们调用operator new时，它会尝试通过malloc来申请内存 。比如下面这段代码：

void* operator new(size_t size) {void* p = malloc(size);if (!p) {// 处理内存分配失败的情况}return p;}

        在这个函数中，malloc尝试分配size大小的内存空间 。如果malloc成功分配内存，operator new就直接返回指向这块内存的指针；但如果malloc失败，也就是返回了NULL指针，operator new就会着手处理内存分配失败的情况 。

        通常，operator new在内存分配失败时，会尝试执行一些空间不足的应对措施 。比如，它可能会调用用户设置的new_handler函数 。这个new_handler函数是用户自定义的，用于处理内存不足的情况。它可以尝试释放一些其他的内存，以便为当前的内存分配请求腾出空间；或者它也可以抛出异常，表明内存分配失败 。如果用户没有设置new_handler函数，operator new就会抛出std::bad_alloc异常 ，这是 C++ 标准库定义的用于表示内存分配失败的异常类型 。

（二）operator delete 的工作机制

        operator delete的作用是释放由operator new分配的内存空间 。它的工作过程和free函数紧密相关 。operator delete的基本实现如下：

void operator delete(void* p) {if (p) {free(p);}}

        从这段代码可以看出，当operator delete接收到一个非空指针p时，它会调用free函数来释放p指向的内存空间 。free函数是 C 语言标准库中的函数，专门用于释放由malloc、calloc或realloc分配的内存 。在operator delete中调用free，就完成了内存的释放操作 。

        需要注意的是，在释放内存之前，operator delete会先检查指针p是否为NULL 。如果p是NULL，说明没有实际的内存需要释放，operator delete会直接返回，不执行任何操作 。这是一种常见的安全检查机制，避免了对空指针进行无效的释放操作，防止程序出现未定义行为 。

三、为什么要重载 operator new 和 operator delete

（一）优化内存分配效率

        在程序运行过程中，频繁的内存申请和释放操作会带来不小的开销。以链表节点的内存分配为例，如果每次创建和销毁链表节点都使用默认的operator new和operator delete ，就会频繁地与操作系统的内存管理机制交互，导致效率低下。

        假设我们有一个链表，链表中的节点频繁地被创建和删除。在默认情况下，每次创建一个节点，operator new都会向操作系统申请内存 ，而每次删除节点，operator delete又会将内存归还给操作系统 。这一来一回的操作不仅涉及系统调用，还可能导致内存碎片化，降低内存的使用效率。

        通过重载operator new和operator delete ，我们可以实现内存池技术 。内存池就像是一个预先准备好的内存仓库，我们在程序开始时一次性向操作系统申请一大块内存，将其作为内存池 。当需要创建链表节点时，从内存池中分配内存，而不是每次都向操作系统申请；当节点被销毁时，将内存放回内存池，而不是归还给操作系统 。这样，就避免了频繁的系统调用，大大提高了内存分配和释放的效率 。例如：

#include <memory>#include <iostream>struct ListNode {ListNode* _prev;ListNode* _next;int _data;// 重载operator newvoid* operator new(size_t size) {static std::allocator<ListNode> alloc;void* p = alloc.allocate(1);std::cout << "从内存池分配内存" << std::endl;return p;}// 重载operator deletevoid operator delete(void* p) {static std::allocator<ListNode> alloc;alloc.deallocate((ListNode*)p, 1);std::cout << "将内存放回内存池" << std::endl;}};

        在这个例子中，ListNode结构体重载了operator new和operator delete 。在operator new中，使用std::allocator从内存池中分配内存 ；在operator delete中，将内存归还给内存池 。通过这种方式，链表节点的内存分配和释放效率得到了显著提升 。

（二）实现自定义内存管理策略

        在一些特定的应用场景中，默认的内存管理策略无法满足需求，这时就需要重载operator new和operator