【C++ 内存管理 重载new/delete 运算符 新特性】深入探索C++14 新的/删除的省略(new/delete elision)的原理与应用

简介: 【C++ 内存管理 重载new/delete 运算符 新特性】深入探索C++14 新的/删除的省略(new/delete elision)的原理与应用

1. 引言

在C++中,你可以重载 operator delete。重载 operator delete 允许你自定义对象在被删除时如何回收内存。这在你需要对内存管理进行精细控制的情况下非常有用,例如在实现自定义内存分配器或者处理特殊的硬件资源时。

然而,问题在于 operator delete 不是虚函数,也不存储在虚函数表中。这意味着当你删除一个指向派生类对象的基类指针时,编译器默认会调用基类的 operator delete,而不是派生类的 operator delete。这可能会导致错误的内存回收行为。

为了解决这个问题,C++引入了 “deleting destructor” 的概念。当你删除一个指针时,编译器实际上会调用一个特殊的析构函数,称为 “deleting destructor”。这个析构函数除了执行完整对象析构函数的所有操作外,还会调用适当的 operator delete 来回收内存。这样,即使 operator delete 不是虚函数,编译器也能正确地调用派生类的 operator delete

这就是 “new/delete elision” 或 “deleting destructor” 的基本原理。这是一个相当深入的主题,需要对C++的内存管理和多态性有深入的理解。

1.1 自定义operator delete

在大多数情况下,C++程序员不需要自定义operator delete。默认的operator delete通常足够好,它会释放通过operator new分配的内存。

然而,在某些情况下,自定义operator delete可能是有用的。以下是一些可能的原因:

  1. 性能优化:如果你的程序在特定的内存模式(例如,频繁地分配和释放小块的内存)下运行,那么自定义的内存管理策略可能比默认的operator newoperator delete更有效率。例如,你可以实现一个自定义的内存池,这样可以减少内存碎片,提高内存分配和释放的速度。
  2. 调试和错误检查:你可以在自定义的operator delete中添加额外的错误检查和调试信息。例如,你可以检查是否试图释放未分配的内存,或者是否有内存泄漏。
  3. 特殊的内存需求:如果你的程序有特殊的内存需求,例如,需要将数据存储在特定的物理内存地址,或者需要使用特定的内存对齐,那么你可能需要自定义operator newoperator delete

请注意,自定义operator delete需要谨慎处理,因为错误的内存管理可能导致各种问题,如内存泄漏、内存碎片、或者更难以调试的问题。在自定义operator delete之前,你应该确保你理解C++的内存管理模型,并且确实需要自定义内存管理。

1.2 C++14的新特性概述

C++14是C++标准的一个版本,它在C++11的基础上进行了许多改进和扩展。C++14引入了一些新的语言特性,如泛型lambda表达式、返回类型推导、编译时整数序列等,这些特性都使得C++编程更加灵活和强大。

然而,C++14中的一些新特性并不那么显眼,但却非常重要。其中之一就是我们今天要讨论的主题——新的/删除的省略(new/delete elision)。

2. C++中的内存管理和多态性

在深入理解新的/删除的省略(new/delete elision)之前,我们首先需要了解C++中的内存管理和多态性的基本概念。

2.1 内存管理的基本概念

在C++中,内存管理是一个核心的主题,它涉及到如何分配、使用和释放内存。C++中的内存主要分为三种类型:堆内存(Heap)、栈内存(Stack)和静态内存(Static)。

2.1.1 堆内存

堆内存是程序运行时动态分配的内存,它的大小并不是在编译时确定的,而是在运行时根据需要进行分配。在C++中,我们使用new操作符来在堆上分配内存,并使用delete操作符来释放内存。

2.1.2 栈内存

栈内存用于存储局部变量和函数调用的参数。当函数被调用时,一个新的栈帧(Stack Frame)会被创建并压入栈中,当函数返回时,这个栈帧会被弹出。栈内存的分配和释放速度非常快,但是大小有限。

2.1.3 静态内存

静态内存用于存储全局变量和静态变量。这些变量在程序的整个生命周期中都存在,它们在程序开始时被创建,在程序结束时被销毁。

下图展示了这三种内存的基本概念:

2.2 多态性的基本概念

多态性是面向对象编程的一个重要特性,它允许我们通过基类的指针或引用来操作派生类的对象。C++中的多态性主要有两种形式:静态多态(Static Polymorphism)和动态多态(Dynamic Polymorphism)。

2.2.1 静态多态

静态多态是在编译时实现的,主要通过模板和函数重载来实现。静态多态的优点是效率高,因为所有的决策都在编译时做出,没有运行时的开销。但是,静态多态的缺点是它不能处理在运行时才能确定的情况。

2.2.2 动态多态

动态多态是在运行时实现的,主要通过虚函数和继承来实现。动态多态的优点是它可以处理在运行时才能确定的情况,提供了更大的灵活性。但是,动态多态的缺点是它有一定的运行时开销,因为需要在运行时查找虚函数表来确定要调用的函数。

在接下来的章节中,我们将深入探讨新的/删除的省略(new/delete elision)的概念,以及它如何在C++的内存管理和多态性的基础上工作。

3. 新的/删除的省略(new/delete elision)的概念

3.1 定义与概念

在C++中,当我们删除一个指针时,会发生两件事:

  1. 调用指针所指对象的析构函数。
  2. 调用operator delete来回收堆内存。

对于第一部分,如果指针的静态类型有虚析构函数,那么编译器会在对象的虚函数表中查找实际要调用的析构函数。如果指针的动态类型是派生类,那么找到的析构函数将是派生类的析构函数,这是正确的。

然而,对于operator delete,情况就不同了。operator delete并不是虚函数,也不存储在虚函数表中。实际上,operator delete是一个静态成员。那么,编译器如何知道调用哪个operator delete呢?

这就是"deleting destructor"(删除析构函数)的作用。当我们删除一个指针时,编译器实际上会调用一个特殊的析构函数,称为"deleting destructor"。这个析构函数除了执行完整对象析构函数的所有操作外,还会调用适当的删除函数来回收内存。这样,即使operator delete不是虚函数,编译器也能正确地调用派生类的operator delete。

3.2 与C++11的对比

在C++11中,我们通常需要显式地调用正确的operator delete。

在C++14之前,如果你通过一个基类指针删除一个派生类对象,那么会调用基类的operator delete,而不是派生类的。这可能会导致问题,因为派生类可能有自己的内存管理策略,例如,可能使用了自定义的内存池。

C++14引入了"deleting destructor",这是一个特殊的析构函数,它不仅会调用对象的析构函数,还会调用正确的operator delete。这样,即使你通过基类指针删除派生类对象,也会调用派生类的operator delete,而不是基类的。

这就是C++14中新的/删除的省略(new/delete elision)的主要改进。这个特性使得C++的内存管理更加灵活和强大,特别是在处理多态删除时。

在C++14中,通过使用"deleting destructor",编译器可以自动地为我们做这件事。

下面是一个代码示例,展示了如何在C++14中使用"deleting destructor":

class Base {
public:
    virtual ~Base() { }
    void operator delete(void* p) { /* custom delete for Base */ }
};
class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() override { }
    void operator delete(void* p) { /* custom delete for Derived */ }
};
int main() {
    Base* p = new Derived;
    delete p;  // Calls Derived::operator delete
}

在这个示例中,当我们删除一个Base类型的指针p时,编译器实际上会调用Derived类的operator delete,而不是Base类的operator delete。这是因为编译器调用了"deleting destructor",而不是直接调用operator delete。

下面的图表展示了"deleting destructor"的工作流程:

这是一个相当深入的主题,需要对C++的内存管理和多态性有深入的理解。在接下来的章节中,我们将深入探讨这个主题,包括"deleting destructor"的内部工作机制,以及如何在实际代码中使用它。

4. 新的/删除的省略(new/delete elision)的原理

在这一章节中,我们将深入探讨新的/删除的省略(new/delete elision)的原理,特别是"删除析构函数"(“deleting destructor”)的工作机制。

4.1 编译器如何处理新的/删除的省略

在C++中,当我们删除一个指针时,会发生两件事:

  1. 调用指针所指对象的析构函数(Destructor)。
  2. 调用operator delete来回收堆内存。

对于第一部分,如果指针的静态类型有虚析构函数(Virtual Destructor),那么编译器会在对象的虚函数表(Virtual Function Table)中查找实际要调用的析构函数。如果指针的动态类型是派生类,那么找到的析构函数将是派生类的析构函数,这是正确的。

然而,对于operator delete,情况就不同了。operator delete并不是虚函数,也不存储在虚函数表中。实际上,operator delete是一个静态成员。那么,编译器如何知道调用哪个operator delete呢?

这就是"删除析构函数"(“deleting destructor”)的作用。当我们删除一个指针时,编译器实际上会调用一个特殊的析构函数,称为"删除析构函数"。这个析构函数除了执行完整对象析构函数的所有操作外,还会调用适当的删除函数来回收内存。这样,即使operator delete不是虚函数,编译器也能正确地调用派生类的operator delete。

下面的图表展示了这个过程:

4.2 "删除析构函数"的内部工作机制

在这一部分,我们将通过一个综合的代码示例来展示这个过程。

class Base {
public:
    virtual ~Base() { std::cout << "Base Destructor\n"; }
    void operator delete(void* ptr) { std::cout << "Base operator delete\n"; ::operator delete(ptr); }
};
class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() override { std::cout << "Derived Destructor\n"; }
    void operator delete(void* ptr) { std::cout << "Derived operator delete\n"; ::operator delete(ptr); }
};
int main() {
    Base* b = new Derived();
    delete b;
    return 0;
}

在这个示例中,我们有一个基类Base和一个派生类Derived。每个类都有自己的析构函数和重载的operator delete。在main函数中,我们创建了一个Derived对象,但是我们通过一个Base指针来删除它。

当我们运行这个程序时,输出将是:

Derived Destructor
Base Destructor
Derived operator delete

这就是"删除析构函数"的工作原理。即使我们通过基类指针删除对象,编译器也能正确地调用派生类的析构函数和operator delete。这是因为编译器生成了一个"删除析构函数",这个析构函数知道要调用哪个operator delete

这个示例展示了新的/删除的省略(new/delete elision)的原理,以及"删除析构函数"如何使得编译器能正确地处理多态性。

5. 新的/删除的省略(new/delete elision)的应用

在本章节中,我们将深入探讨新的/删除的省略(new/delete elision)在实际编程中的应用。我们将通过一个综合的代码示例来展示如何在代码中使用新的/删除的省略,以及在这个过程中需要注意的关键点。

5.1 实例分析:如何在代码中使用新的/删除的省略

让我们通过一个具体的例子来看看新的/删除的省略(new/delete elision)是如何工作的。在这个例子中,我们将创建一个基类和一个派生类,每个类都有自己的析构函数和删除函数。

class Base {
public:
    virtual ~Base() { std::cout << "Base Destructor\n"; }
    static void operator delete(void* ptr) {
        std::cout << "Base operator delete\n";
        ::operator delete(ptr);
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() override { std::cout << "Derived Destructor\n"; }
    static void operator delete(void* ptr) {
        std::cout << "Derived operator delete\n";
        ::operator delete(ptr);
    }
};

在这个例子中,我们可以看到,当我们删除一个指向派生类对象的基类指针时,会发生什么。

Base* b = new Derived;
delete b;

输出将是:

Derived Destructor
Base operator delete

这是因为,虽然析构函数是虚函数,可以正确地调用派生类的析构函数,但是删除函数operator delete并不是虚函数,它是一个静态成员。所以,当我们删除一个指向派生类对象的基类指针时,会调用基类的删除函数,而不是派生类的删除函数。

这就是新的/删除的省略(new/delete elision)的重要性。在C++14中,编译器会生成一个特殊的析构函数,称为"deleting destructor"。这个析构函数除了执行完整对象析构函数的所有操作外,还会调用适当的删除函数来回收内存。这样,即使operator delete不是虚函数,编译器也能正确地调用派生类的operator delete

下面的图示展示了这个过程:

5.2 常见的使用场景和模式

新的/删除的省略(new/delete elision)主要用于处理多态性,特别是当我们需要在基类中删除派生类对象时。这在以下几种场景中非常常见:

  1. 当我们使用工厂模式创建对象时,工厂函数通常返回一个基类指针,指向一个在堆上创建的派生类对象。当我们完成使用这个对象后,我们需要删除它。在这种情况下,新的/删除的省略(new/delete elision)可以确保我们正确地调用了派生类的删除函数。
  2. 当我们使用容器存储基类指针时,这些指针实际上可能指向派生类对象。当我们清空容器时,我们需要删除这些对象。在这种情况下,新的/删除的省略(new/delete elision)可以确保我们正确地调用了派生类的删除函数。

在这两种场景中,新的/删除的省略(new/delete elision)都可以帮助我们正确地管理内存,避免内存泄漏和未定义的行为。

结语

在我们的编程学习之旅中,理解是我们迈向更高层次的重要一步。然而,掌握新技能、新理念,始终需要时间和坚持。从心理学的角度看,学习往往伴随着不断的试错和调整,这就像是我们的大脑在逐渐优化其解决问题的“算法”。

这就是为什么当我们遇到错误,我们应该将其视为学习和进步的机会,而不仅仅是困扰。通过理解和解决这些问题,我们不仅可以修复当前的代码,更可以提升我们的编程能力,防止在未来的项目中犯相同的错误。

我鼓励大家积极参与进来,不断提升自己的编程技术。无论你是初学者还是有经验的开发者,我希望我的博客能对你的学习之路有所帮助。如果你觉得这篇文章有用,不妨点击收藏,或者留下你的评论分享你的见解和经验,也欢迎你对我博客的内容提出建议和问题。每一次的点赞、评论、分享和关注都是对我的最大支持,也是对我持续分享和创作的动力。

目录
相关文章
|
5天前
|
存储 程序员 C++
C++堆内存分配
C++堆内存分配
13 2
|
3天前
|
安全 算法 程序员
探索C++的魅力:语言特性、编程实践及代码示例
C++是广泛应用的编程语言,尤其在系统级编程、应用开发、游戏和嵌入式系统中广泛使用。其主要特性包括:面向对象编程(封装、继承、多态),泛型编程(通过模板实现代码复用和类型安全),以及丰富的标准库和第三方库。在编程实践中,需注意内存管理、异常处理和性能优化。示例代码展示了面向对象和泛型编程,如类的继承和泛型函数的使用。C++的内存管理和库支持使其在解决复杂问题时具有高效和灵活性。
|
3天前
|
存储 安全 程序员
C++语言中的内存管理技术
C++语言中的内存管理技术
|
3天前
|
存储 缓存 程序员
C++内存管理:避免内存泄漏与性能优化的策略
C++内存管理涉及程序稳定性、可靠性和性能。理解堆和栈的区别至关重要,其中堆内存需手动分配和释放。避免内存泄漏的策略包括及时释放内存、使用智能指针和避免野指针。性能优化策略则包括减少内存分配、选用合适数据结构、避免深拷贝及缓存常用数据。通过这些最佳实践,可提升C++程序的效率和质量。
|
6天前
|
编译器 C++ 容器
C++模板的原理及使用
C++模板的原理及使用
|
6天前
|
编译器 C语言 C++
【内存分布管理】new与malloc以及delede与delete[]的区别
【内存分布管理】new与malloc以及delede与delete[]的区别
|
5天前
|
C++
C++派生类
C++派生类
15 0
|
5天前
|
存储 程序员 数据安全/隐私保护
C++类
C++类
15 0
|
5天前
|
设计模式 安全 Java
【C++】特殊类设计
【C++】特殊类设计
|
1天前
|
存储 编译器 程序员
c++存储类
c++存储类
14 3