effective C++筆記--定製new和delete（一）
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． C++允許手動的管理記憶體，這是雙刃劍，你可以使程式更有效率，也可能面臨維護程式帶來的麻煩，所以瞭解C++記憶體管理的例程很是重要，其中的兩個主角是分配例程和歸還例程（也就是operator new 和 operator delete），配角是new-handler，這是當operator new無法滿足客戶的記憶體需求時呼叫的函式。
額外有一點要注意的是：STL容器所使用的heap記憶體是由容器所擁有的分配器物件管理，不是被new和delete直接管理。這裡就不討論STL分配器了，這部分內容在C++ primer中有提到：
瞭解new-handler的行為
． 當operator new無法滿足某一記憶體分配需求時，它會丟擲異常。以前是返回一個null指標，但這條條款最後在討論這個。
當operator new丟擲異常以反映一個未獲滿足的記憶體需求之前，它會先呼叫一個客戶指定的錯誤處理函式，一個所謂的new-handler（其實operator new真正做到事稍微更復雜一點），為了指定這個new-handler函式，客戶必須呼叫set-new-handler，那是聲明於<new>的標準程式庫函式：
namespace std{ typedef void (*new_handler)(); new_handler set_new_handler(new_handler p) throw(); };
． 如上所述，new_handler是一個typedef（ps：其實我不太懂為啥要在typedef裡用指標啊、括號啊什麼的，感覺不好閱讀），定義出一個指標指向一個函式，該函式沒有引數也不返回任何東西。set_new_handler宣告式尾部的throw()表示該函式不丟擲任何異常，其引數是一個指標，指向當operator new無法分配足夠記憶體時需要呼叫的函式，返回值也是一個指標，指向之前的new_handler函式。可以如下使用：
void outOfMem(){ std::cerr<<"out of memory\n"; std::abort(); } int main(){ std::set_new_handler(outOfMem); int* pBigDataArray = new int[100000000000000000]; ... }
． 如果operator new 無法分配那麼多的記憶體，就會呼叫設定好的outOfMem，於是程式在發出一個資訊後夭折。
當operator new無法滿足記憶體申請時，它會不斷呼叫new-handler函式，知道找到足夠的記憶體。一個設計良好的new-handler函式必須做以下事情：
1.讓更多記憶體可被使用。這便造成operator new的下一次記憶體分配動作可能完成。實現這一策略的一種方法是，程式一開始執行就分配一大塊記憶體，而後當new-handler第一次被呼叫，將它們釋還給程式使用。
2.安裝另一個new-handler。如果目前這個new-handler無法獲得更多的可用記憶體，或許它知道另外那個new-handler有這個能力。果真如此，目前這個new-handler就可以安裝另外的new-handler以替換自己。
3.刪除new-handler。也就是傳遞null給set-new-handler。在沒有安裝new-handler的情況下，operator new會在記憶體分配不足時丟擲異常。
4.丟擲bad_alloc（或派生自bad_alloc）的異常。這樣的異常不會被operator new捕捉，因此會被傳播到記憶體索求處。
5.不返回。通常呼叫abort或exit。
這樣的彈性為你在實現new-handler函式時擁有更多選擇。
有時或許希望以不同的方式處理記憶體分配失敗的情況，比如每個類中有不同的outOfMem函式，在屬於該類的分配物出現分配不成功時呼叫該類的outOfMem，只需令每一個class提供自己的set_new_handler和operator new即可。例如：
class Widget{
public:
static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();
static void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);
private:
static std::new_handler currentHandler;
};
//static成員需要在類外定義（除非它們是const且是整數型）
std::new_handler Widget::currentHandler = 0; //初始化為null
std::new_handler Widget::set_new_handler(std::new_handler p) throw(){
std::new_handler oldHandler = currentHandler;
currentHandler = p;
return oldHandler;
}
． 最後operator new需要做的事情就是：
1.呼叫set_new_handler，安裝widget的new-handler；
2.呼叫operator new，執行實際的記憶體分配，如果分配失敗，呼叫widget的new-handler，如果最終還是不能分配成功，會丟擲一個bad_alloc異常，在此情況下Widget的operator new必須回覆原本的new-handler函式，然後在傳播這異常。為確保原本的new-handler能被重新安裝回去，可以運用資源管理物件防止資源洩露；
3.如果operator new能夠分配足夠一個Widget物件所使用的記憶體，Widget的operator new會返回一個指標，指向分配所得。Widget的解構函式會管理new-handler，自動將安裝之前的那個new-handler恢復回來。
從程式碼在闡述一次：
class NewHandlerHolder{
public:
explicit NewHandlerHolder(std::new_handler nh)
:handler(nh) {}
~NewHandlerHolder(){
std::set_new_handler(handler);
}
private:
std::new_handler handler;
NewHandlerHolder(const NewHandlerHolder&); //阻止copying
NewHandlerHolder& operator=(const NewHandlerHolder&);
};
//這使得operator new的實現變得簡單
void* Widget::operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc){
NewHandlerHolder h(std::set_new_handler(currentHandler));
return ::operator new(size); //分配記憶體或丟擲異常
} //函式結束的時候恢復原來的new-handler
． 可以使用模板來少寫一些程式碼：
template <typename T>
class NewHandlerSupport{
public:
static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();
static void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);
...
private:
static std::new_handler currentHandler;
};
template <typename T>
std::new_handler
NewHandlerSupport<T>::set_new_handler(std::new_handler p) throw(){
std::new_handler oldHandler = currentHandler;
currentHandler = p;
return currentHandler;
}
template <typename T>
void* NewHandlerSupport<T>::operator new(std::size_t size)
throw(std::bad_alloc){
NewHandlerHolder h(std::set_new_handler(currentHandler));
return ::operator new(size);
}
//初始化每個currenHandler
template <typename T>
std::new_handler NewHandlerSupport<T>::currentHandler = 0;
． 有了這個模板類，為Widget新增set_new_handler支援能力就輕而易舉了：只要令Widget繼承自NewHandlerSupport<Widget>就好。例如：
class Widget : public NewHandlerSupport<Widget>{
...
}
． 新一代的operator new在無法分配足夠記憶體的時候會丟擲bad_alloc異常，但很多C++程式是在編譯器開始支援新規範前寫出來的。C++並不像拋棄那些偵測null的族群，於是提供另一個形式的operator new，這個形式被稱為“nothrow”形式：
Widget* p = new(std::nothrow) Widget;
if(p == 0){
...
}
． 不過nothrow new對異常的強制保證性不高，因為如果這樣使用的時候，記憶體分配失敗的話會返回null，但是如果分配成功的話，Widget的建構函式將被呼叫，在建構函式中可能有出現分配記憶體的行為，這裡出現錯誤的時候將不會再強制使用nothrow new，這就可能丟擲異常了。
瞭解new和delete的合理替換時機
． 對於想要替換編譯器提供的operator new和operator delete的行為，一般有下面三種原因：
1.用來檢測運用上的錯誤。如果將new分配的記憶體delete失敗的話將導致記憶體洩露，自己編寫的時候可以進行檢測是否釋放成功或者記錄下日誌；
2.為了強化效能。編譯器所帶的operator new和operator delete主要用於一般的目的。它們的工作對每個人都是適度的好，但不對特定任何人有最佳表現。通常定製版的operator new和operator delete效能更高；
3.為了收集使用上的統計資料。在定製new和delete之前，應該先收集你的軟體如何使用動態記憶體。比如分配區塊的大小分佈如何？壽命分佈如何？傾向於使用FIFO（先進先出）次序還是LIFO（後進先出）次序或是隨機次序？等等資訊，自定義operator new和operator delete使我們得以輕鬆收集這些資訊。
一個簡單的定製型operator new，除了分配記憶體外還協助檢測“overruns”（寫入點在分配區塊尾端之後）或“underruns”（寫入點在分配區塊起點之前），其中還有一些小錯誤：
static const int signature = 0xDEADBEEF;
typedef unsigned char Byte;
void* operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc){
using namespace std;
size_t realSize = size + 2 * sizeof(int); //增加大小，
//使得能夠塞入兩個signature
void* pMem = malloc(realSize); //呼叫malloc分配記憶體
if(!pMem) throw bad_alloc();
//將signature寫入最前和最後
*(static_cast<int*>(pMem)) = signature;
*(reinterpret_cast<int>(static_cast<int*>(pMem)
+ realSize - sizeof(int))) = signature;
//返回指標，指向位於第一個signature之後的記憶體位置
return static_cast<Byte*>(pMem) + sizeof(int);
}
． 這個operator new的缺點主要在於它疏忽了身為這個特殊函式所應該具備的“堅持C++規矩”的態度。比如所有的operator new都應該含有一個迴圈，不停的呼叫某個new-handler函式，這裡卻沒有。但這裡主要討論另一個主題：齊位。
許多計算機體系結構要求特定的型別必須放在特定的記憶體地址上，例如它可能要求指標的地址是4的倍數或double的地址是8的倍數。在目前的這個主題中，齊位意義重大，因為C++要求所有的operator new返回的指標都有適當的對齊（取決於資料型別）。如果返回一個得自malloc的指標是安全的，但是上述返回的是一個得自malloc且偏移一個int大小的指標，沒人能保證它的安全。
現在在總結一下使用定製的版本去替換預設的版本的目的：
1.為了檢測運用錯誤。如前所述；
2.為了收集動態分配記憶體的統計資訊。如前所述；
3.為了增加分配和歸還的速度。泛用型分配器往往位元定型分配器慢，特別是當定製型分配器專門針對某特定型別的物件設計時。
4.為了降低預設記憶體管理器帶來的空間額外開銷。泛用型分配器往往還佔用更多的記憶體，因為它們往往在每個分配區塊身上招引某些額外開銷。
5.為了彌補預設分配器的非最佳齊位。在X86體系結構上doubles的訪問時最快的——如果它們都是8位齊位。但是編譯器自帶的operator new並不保證對動態分配而得的doubles採取8位齊位。這種情況下，將預設的operator new替換為一個8位齊位的保證版本，可導致效率大幅提升。
6.為了將相關物件成簇幾種。如果知道某個資料結構常常被一起使用，而你又希望在處理這些資料的時候將“記憶體頁錯誤”的頻率降到最低，那麼為這個資料結構建立一個heap就有意義，這麼一來它們就可以被集中在儘可能少的記憶體頁上。
7.為了獲得非傳統的行為。可以做點別的編譯器自帶的operator new版本沒有做到的事。