C++ 网易面试题“让new操作符不分配内存,只调用构造函数”

c/c++

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2019-3-30

问题

c++中的new操作符 通常完成两个工作 分配内存及调用相应的构造函数。
请问:
1)如何让new操作符不分配内存,只调用构造函数?
2)这样的用法有什么用?

placement new的含义

placement new可以实现不分配内存,只调用构造函数。

void *operator new( size_t, void *p ) throw()     { return p; }

placement new的执行忽略了size_t参数,只返还第二个参数。
其结果是允许用户把一个对象放到一个特定的地方,达到调用构造函数的效果。

用法如下:

#include <iostream>
#include <new>

class Test
{
public:
    Test()
    {
        std::cout << "Constructor" << std::endl;
    };
    ~Test()
    {
        std::cout << "Destructor" << std::endl;
    }
private:
    char mA;
    char mB;
};

char* gMemoryCache = (char *)malloc(sizeof(Test));

int main()
{
    {
        Test* test = new(gMemoryCache) Test();
    }
    {
        Test* test = new(gMemoryCache) Test();
        test->~Test();
    }
}

输出:

Constructor
Constructor
Destructor

和其他普通的new不同的是,它在括号里多了另外一个参数。比如:

Widget * p = new Widget; - - - - - - - - - //ordinary new 
pi = new (ptr) int; pi = new (ptr) int;     //placement new

括号里的参数ptr是一个指针,它指向一个内存缓冲器,placement new将在这个缓冲器上分配一个对象。
Placement new的返回值是这 个被构造对象的地址(比如括号中的传递参数)。

placement new主要适用于:在对时间要求非常高的应用程序中,因为这些程序分配的时间是确定 的;长时间运行而不被打断的程序;以及执行一个垃圾收集器 (garbage collector)。

new 、operator new 和 placement new 区别

  • new :不能被重载,其行为总是一致的。它先调用operator new分配内存,然后调用构造函数初始化那段内存。
  • operator new:要实现不同的内存分配行为,应该重载operator new,而不是new。
  • delete和operator delete类似。 delete首先调用对象的析构函数,然后调用operator delete释放掉所使用的内存。
  • placement new:只是operator new重载的一个版本。它并不分配内存,只是返回指向已经分配好的某段内存的一个指针。因此不能删除它,但需要调用对象的析构函数。

new 操作符的执行过程
  (1). 调用operator new分配内存 ;
  (2). 调用构造函数生成类对象;
  (3). 返回相应指针。

placement new允许你在一个已经分配好的内存中(栈或者堆中)构造一个新的对象。原型中void*p实际上就是指向一个已经分配 好的内存缓冲区的的首地址。

Placement new 存在的理由

用Placement new 解决buffer的问题

问题描述:用new分配的数组缓冲时,由于调用了默认构造函数,因此执行效率上不佳。若没有默认构造函数则会发生编译时错误。如果你想在预分配的内存上创建对象,用缺省的new操作符是行不通的。要解决这个问题,你可以用placement new构造。它允许你构造一个新对象到预分配的内存上。

增大时空效率的问题

使用new操作符分配内存需要在堆中查找足够大的剩余空间,显然这个操作速度是很慢的,而且有可能出现无法分配内存的异常(空间不够)。
placement new 就可以解决这个问题。我们构造对象都是在一个预先准备好了的内存缓冲区中进行,不需要查找内存,内存分配的时间是常数;而且不会出现在程序运行中途出现内 存不足的异常。所以,placement new非常适合那些对时间要求比较高,长时间运行不希望被打断的应用程序。

使用步骤

在很多情况下,placement new的使用方法和其他普通的new有所不同。这里提供了它的使用步骤。

第一步 缓存提前分配

有三种方式:
1.为了保证通过placement new使用的缓存区的memory alignmen(内存队列)正确准备,使用普通的new来分配它:在堆上进行分配

class Task ;
char * buff = new [sizeof(Task)]; //分配内存

(请注意auto或者static内存并非都正确地为每一个对象类型排列,所以,你将不能以placement new使用它们。)

2.在栈上进行分配

class Task ;
char buf[N*sizeof(Task)]; //分配内存

3.还有一种方式,就是直接通过地址来使用。(必须是有意义的地址)

void* buf = reinterpret_cast<void*> (0xF00F);

第二步:对象的分配

在刚才已分配的缓存区调用placement new来构造一个对象。

Task *ptask = new (buf) Task

第三步:使用

按照普通方式使用分配的对象:

ptask->memberfunction();
ptask-> member;
//...

第四步:对象的析构

一旦你使用完这个对象,你必须调用它的析构函数来毁灭它。按照下面的方式调用析构函数:

ptask->~Task(); //调用外在的析构函数

第五步:释放

你可以反复利用缓存并给它分配一个新的对象(重复步骤2,3,4)如果你不打算再次使用这个缓存,你可以象这样释放它:

delete [] buf;

跳过任何步骤就可能导致运行时间的崩溃,内存泄露,以及其它的意想不到的情况。如果你确实需要使用placement new,请认真遵循以上的步骤。

性能对比

采用placement new和new的方式创建和删除对象一万次,统计时间,单位是us。

int main()
{
    {
        uint64_t start = GetCurrentTimeInMicroSeconds();
        for (uint32_t i = 0; i < 10000; ++i)
        {
            Test* test = new(gMemoryCache) Test();
            test->~Test();
        }
        std::cout << GetCurrentTimeInMicroSeconds() - start << std::endl;
    }
    {
        uint64_t start = GetCurrentTimeInMicroSeconds();
        for (uint32_t i = 0; i < 10000; ++i)
        {
            Test* test = new Test();
            delete test;
        }
        std::cout << GetCurrentTimeInMicroSeconds() - start << std::endl;
    }
}

结果:

placement new: 186
new : 1448

结论:在频繁构造和析构对象的场景中,placement new对性能有7倍的提升。