34、C++ Primer 4th笔记，特殊工具与技术，优化内存分配（1）

1、C++的内存分配是一种类型操作：new为特定类型分配内存，并在新分配的内存中构造该类型的一个对象。new表达式自动运行合适的构造函数来初始化动态分配的类类型对象。

2、在每种情况下（预先分配内存以保存用户级（user-level objects）对象或者保存类的内部数据）都需要将内存分配与对象构造分离开。

3、对未构造的内存中的对象进行赋值而不是初始化，其行为是未定义的。对许多类而言，这样做引起运行时崩溃。

4、C++提供下面两种方法分配和释放未构造的原始内存。

1）allocator 类，它提供可感知类型（type-aware）的内存分配。这个类支持一个抽象接口，以分配内存并随后使用该内存保存对象。

2）标准库中的 operator new 和 operator delete函数，它们分配和释放需要大小的原始的、未类型化的内存。

5、C++ 还提供不同的方法在原始内存中构造和撤销对象。

1）allocator 类定义了名为 construct 和 destroy 的成员：construct 成员在未构造内存中初始化对象，destroy 成员在对象上运行适当的析构函数。

2）定位 new 表达式（placement new expression）接受指向未构造内存的指针，并在该空间中初始化一个对象或一个数组。

3）可以直接调用对象的析构函数来撤销对象。运行析构函数并不释放对象所在的内存。

4）算法 uninitialized_fill 和 uninitialized_copy 像 fill 和 copy算法一样执行，除了它们在目的地构造对象而不是给对象赋值之外。

现代 C++ 程序一般应该使用 allocator 类来分配内存，它更安全更灵活。但是，在构造对象的时候，用 new 表达式比allocator::construct 成员更灵活。有几种情况下必须使用new。

6、allocator 类

allocator类是一个模板，它提供类型化的内存分配以及对象构造与撤销。

    allocator类将内存分配和对象构造分开。当allocator对象分配内存的时候，它分配适当大小并进行内存对齐（aligned）来保存给定类型对象的空间。但是，它分配的内存是未构造的，allocator的用户必须分别construct和destroy放置在该内存中的对象。

1）使用allocator管理类成员数据

示例代码

#include "iostream"
#include "string"
#include "vector"

using namespace std;

template <class T>
class MyVector
{
public:
        MyVector():elements(0), first_free(0), end(0){}
        void Push_back(const T&);
        //...
private:
        static std::allocator<T> alloc; //object to get raw memory
        void reallocate(); //get more space and copy existing elements.
        T* elements; //pointer to first element in the array.
        T* first_free; //pointer to first free element in the array
        T* end; //pointer to one past the end of the array.
    //...
}

template <class T>
void MyVector<T>::Push_back(const T& t)
{
        if (first_free == end)
                reallocate(); //get more space and copy existing elements.
        alloc.construct(first_free, t);
        ++first_free;
}

template <class T>
void MyVector<T>::reallocate()
{
        //compute size of current array and allocate space for twice as many elements
        std::ptrdiff_t size = first_free - elements;
        std::ptrdiff_t newcapacity = 2 * max(size, 1);
        //allocate space to hold newcapacity number of elements of type T
        T* newelements = alloc.allocate(newcapacity);
        //construct copies of the existing elements in the new space
        uninitialized_copy(elements, first_free, newelements);
        //destory the old elements in reverse older
        for (T *p = first_free; p != elements; /*empty*/)
                alloc.destroy(--p);

        //deallocate cannot be called on a 0 pointer
        if (elements)
                //return the memory that held the elements
                alloc.deallocate(elements, end - elements);
        //make our data structure point to the new elements
        elements = newelements;
        first_free = elements + size;
        end = elements + newcapacity;
}

7、operator new函数和operator delete函数

// new expression

string * sp = new string("initialized");

    的时候，实际上发生三个步骤。首先，该表达式调用名为 operator new 的标准库函数，分配足够大的原始的未类型化的内存，以保存指定类型的一个对象；接下来，运行该类型的一个构造函数，用指定初始化式构造对象；最后，返回指向新分配并构造的对象的指针。

当使用 delete 表达式

delete sp;

    删除动态分配对象的时候，发生两个步骤。首先，对 sp 指向的对象运行适当的析构函数；然后，通过调用名为 operator delete 的标准库函数释放该对象所用内存。

    我们不能重定义new和delete表达式的行为。

1）operator new与operator delete接口

void *operator new(size_t); // allocate an object

void *operator new[](size_t); // allocate an array

void *operator delete(void*); // free an object

void *operator delete[](void*); // free an array

2）使用分配操作符函数

虽然 operator new 和 operator delete 函数的设计意图是供 new 表达式使用，但它们通常是标准库中的可用函数。可以使用它们获得未构造内存，它们有点类似 allocate 类的 allocator 和 deallocate 成员。

使用示例

   T* newelements = alloc.allocate(newcapacity);
        //上式表达与下式表达等价
        T* newelements = static_cast<T*>(operator new[](newcapacity * sizeof(T)));

        if (elements)
                //return the memory that held the elements
alloc.deallocate(elements, end - elements);
        //      //上式表达与下式表达等价
        operator delete[](elements);

注意：使用allocator与operator new有一个重要的区别就是：operator new在void*指针而不是类型化的指针上进行操作。一般而言，使用allocator比直接使用operator new与operator delete函数更为类型安全。

allocate成员分配类型化的内存，所以使用它的程序可以不必计算以字节为单位的所需内存量，它们也可以避免对 operator new 的返回值进行强制类型转换。类似地，deallocate释放特定类型的内存，也不必转换为void*。

8、定位new表达式

    标准库函数 operator new 和 operator delete 是 allocator 的allocate 和 deallocate 成员的低级版本，它们都分配但不初始化内存。

    There are also lower-level alternatives to the allocator members construct and destroy . Thesemembers initialize and destroy

objects in space allocated by an allocator object.

类似于construct成员，第三种new表达式，称为定位new(placement new)。定位new表达式在已分配的原始内存中初始化一个对象，它与new的其他版本的不同在于：它不分配内存，相反，它接受指向已分配但未构造内存的指针，并在该内存中初始化一个对象。实际上，定位new表达式使我们能够在特定的、预分配的内存地址构造一个对象。

new (place_address) type

new (place_address) type (initializer-list)

    其中 place_address 必须是一个指针，而 initializer-list 提供了（可能为空的）初始化列表，以便在构造新分配的对象时使用。

使用示例

   alloc.construct(first_free, t);
        //上式等价于下式
        //copy t into element addressed by first_free
        new(first_free) T(t);

定位new表达式比allocator类的construct成员更灵活。定位new表达式初始化一个对象的时候，它可以使用任何构造函数，并直接建立对象。construct函数总是使用复制构造函数。

示例代码

allocator<string> alloc;
string *sp = alloc.allocate(2); //allocate space to hold 2 strings
//two ways to construct a string from a pair of iterators
new (sp) string(b, e); // construct directly in place
alloc.construct(sp + 1, string(b, e)); //build and copy a temporary