C++学习：六个月从基础到就业——内存管理：自定义内存管理（上篇）
C++学习：六个月从基础到就业——内存管理：自定义内存管理（上篇）
本文是我C++学习之旅系列的第二十一篇技术文章，也是第二阶段"C++进阶特性"的第六篇，主要介绍C++中的自定义内存管理技术（上篇）。查看完整系列目录了解更多内容。
引言
在前面的文章中，我们已经探讨了C++标准提供的内存管理工具，包括堆与栈的使用、new/delete操作符、内存泄漏的避免、RAII原则以及智能指针。这些机制在大多数应用场景下已经足够使用，但在某些特定情况下，标准内存分配器可能无法满足我们的需求，例如：
- 需要极高的性能，标准分配器造成的开销过大
- 需要特定的内存布局或对齐方式
- 需要减少内存碎片化
- 需要追踪和调试内存使用
- 在特定硬件或嵌入式系统上工作
在这些情况下，自定义内存管理就变得非常重要。本文（上篇）将详细介绍C++中自定义内存管理的基础知识、核心技术以及简单实现，而下篇将会介绍更多高级应用场景和实际项目中的最佳实践。
内存管理基础回顾
在深入自定义内存管理之前，让我们简要回顾一下C++中内存管理的基础知识。
标准内存分配过程
当我们在C++中使用new运算符时，实际发生了以下步骤：
- 内存分配：调用
operator new函数分配原始内存 - 对象构造：在分配的内存上调用构造函数
- 返回指针：返回指向新创建对象的指针
类似地，当使用delete运算符时：
- 对象析构：调用对象的析构函数
- 内存释放：调用
operator delete函数释放内存
这个过程的关键在于operator new和operator delete函数，它们是可以被重载的，这为我们提供了自定义内存管理的入口。
堆内存分配的问题
标准堆内存分配存在一些常见问题：
- 性能开销：每次分配/释放都需要系统调用，开销较大
- 内存碎片化：频繁的分配和释放可能导致内存碎片
- 缓存不友好：随机分配的内存可能分散在不同的缓存行中
- 分配失败处理：需要额外的代码处理内存分配失败
- 调试困难：难以追踪内存泄漏和内存使用模式
自定义内存管理的目标就是解决或缓解这些问题。
自定义内存管理技术
重载全局new和delete运算符
最直接的自定义内存管理方式是重载全局new和delete运算符：
#include 输出结果类似于：
Global operator new called, size = 4 bytes
Value: 42
Global operator delete called
Global operator new[] called, size = 40 bytes
Array first element: 10
Global operator delete[] called
这种方法会影响程序中所有的内存分配，通常用于全局内存跟踪或调试。但要注意，这是一种侵入性很强的方法，可能会影响第三方库的行为，所以在生产环境中需要谨慎使用。
类特定的new和delete重载
对于特定的类，我们可以只重载该类的new和delete运算符，这样就不会影响其他部分的内存分配：
class MyClass {
private:
int data;
public:
MyClass(int d) : data(d) {
std::cout << "MyClass constructor called with data = " << data << std::endl;
}
~MyClass() {
std::cout << "MyClass destructor called with data = " << data << std::endl;
}
// 类特定的operator new
void* operator new(std::size_t size) {
std::cout << "MyClass::operator new called, size = " << size << " bytes" << std::endl;
void* ptr = std::malloc(size);
if (!ptr) throw std::bad_alloc();
return ptr;
}
// 类特定的operator delete
void operator delete(void* ptr) noexcept {
std::cout << "MyClass::operator delete called" << std::endl;
std::free(ptr);
}
// 还可以重载数组版本
void* operator new[](std::size_t size) {
std::cout << "MyClass::operator new[] called, size = " << size << " bytes" << std::endl;
void* ptr = std::malloc(size);
if (!ptr) throw std::bad_alloc();
return ptr;
}
void operator delete[](void* ptr) noexcept {
std::cout << "MyClass::operator delete[] called" << std::endl;
std::free(ptr);
}
// 可以添加额外参数版本，如placement new
void* operator new(std::size_t size, const char* file, int line) {
std::cout << "MyClass::operator new called from " << file << ":" << line << std::endl;
void* ptr = std::malloc(size);
if (!ptr) throw std::bad_alloc();
return ptr;
}
// 对应的delete版本
void operator delete(void* ptr, const char* file, int line) noexcept {
std::cout << "MyClass::operator delete called from " << file << ":" << line << std::endl;
std::free(ptr);
}
};
// 使用宏简化调用
#define DEBUG_NEW new(__FILE__, __LINE__)
int main() {
// 使用类特定的new/delete
MyClass* obj1 = new MyClass(42);
delete obj1;
// 使用数组版本
MyClass* arr = new MyClass[3]{1, 2, 3};
delete[] arr;
// 使用带额外参数的版本
MyClass* obj2 = DEBUG_NEW MyClass(100);
delete obj2;
return 0;
}
这种方法只影响特定类的内存分配，适用于有特殊内存需求的类，如频繁创建销毁的小对象，或者需要进行内存使用追踪的类。
placement new
Placement new是C++的一个特殊形式的new运算符，它允许我们在预先分配的内存上构造对象：
#include Placement new的主要用途：
- 内存池实现：在预先分配的内存池中构造对象
- 嵌入式系统：在特定内存位置构造对象
- 内存映射文件：在内存映射区域构造对象
- 性能优化：避免额外的内存分配开销
- 自定义内存对齐：在特定对齐的内存上构造对象
需要注意的是，使用placement new时，我们需要手动调用析构函数，并且不使用delete来释放内存（因为内存不是通过new分配的）。
内存池技术
内存池是一种常用的自定义内存管理技术，它通过预先分配大块内存，然后按需分配小块，减少系统调用次数，提高性能。
固定大小对象的内存池
下面是一个用于管理固定大小对象的简单内存池实现：
#include 这是一个简单的固定大小对象内存池实现，适用于大量创建和销毁相同大小对象的场景，如游戏中的粒子系统、图形渲染中的顶点等。通过内存池，我们可以显著减少内存分配的系统调用次数，从而提高性能。
简单通用内存池
下面是一个简单的通用内存池实现，可以用于分配不同大小的内存块：
#include 这个简单的内存池实现了一种"只增不减"的策略，即不会释放块中未使用的内存，这样的设计在某些场景下是合理的，尤其是对于内存使用模式比较固定或短暂的应用程序。
内存分析与调试工具
除了自定义内存管理，我们还可以构建内存分析与调试工具，帮助我们追踪内存使用、发现内存泄漏等问题。下面是一个简单的内存追踪器：
#include 这个内存跟踪器可以帮助我们找出内存泄漏和不正确的内存操作，是一个功能强大的调试工具。使用宏将new替换为带有文件名和行号的版本，可以精确定位内存泄漏的位置。
小结
在本文（上篇）中，我们详细介绍了C++中自定义内存管理的基础知识、核心技术以及简单实现。我们讨论了：
- 重载全局和类特定的
new/delete运算符 - 使用placement new在预分配内存上构造对象
- 实现固定大小对象的内存池
- 构建简单的通用内存池
- 创建内存分析和调试工具
这些技术为我们提供了更灵活、高效的内存管理方式，特别是在性能关键的应用程序中。
在下篇文章中，我们将继续探讨更高级的内存管理技术，包括：
- 更复杂的内存池实现
- 针对STL容器的自定义分配器
- 自定义内存管理在游戏开发、嵌入式系统和高性能计算中的应用
- 多线程环境下的内存管理
- 自定义内存管理的最佳实践和性能分析
这是我C++学习之旅系列的第二十一篇技术文章。查看完整系列目录了解更多内容。
