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自定義內存管理（五十七）-創(chuàng)新互聯(lián)

    一個筆試題：編寫能統(tǒng)計對象中某個成員變量的訪問次數(shù)的程序。我們在類中定義一個私有成員變量，在構造函數(shù)中初始化為 0，在進行讀寫操作時都 ++，那么就達到我們的目的了，下面我們看看程序是怎樣寫的

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#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Test
{
    int m_Value;
    int m_count;
public:
    Test(int value = 0)
    {
        m_Value = value;
        m_count = 0;
    }
    
    int getValue()
    {
        m_count++;
        
        return m_Value;
    }
    
    int setValue(int value)
    {
        m_count++;
        
        m_Value = value;
    }
    
    int getCount()
    {
        return m_count;
    }
    
    ~Test()
    {
        
    }
};

int main()
{
    Test t;
    
    t.setValue(100);
    
    cout << "t.m_value = " << t.getValue() << endl;
    cout << "t.m_count = " << t.getCount() << endl;
    
    Test ct(200);
    
    cout << "ct.m_value = " << ct.getValue() << endl;
    cout << "ct.m_count = " << ct.getCount() << endl;
    
    return 0;
}

        我們來編譯看看結果

自定義內存管理（五十七）

        我們看到已經(jīng)正確實現(xiàn)功能了哈，類對象也有可能是 const 的，我們來試試 const 類型的呢自定義內存管理（五十七）

        const 對象只能調用 const 成員函數(shù)，我們將 getCount 和 getValue 改為 const 成員函數(shù)。

自定義內存管理（五十七）

        我們看到又說 m_count 是在 const 成員函數(shù)中不能被改變。那么問題來了，怎樣才能改變 const 成員函數(shù)中的限制呢？很幸運，在 C++ 中有一個關鍵字 mutable。mutable 是為了突破 const 函數(shù)的限制而設計的，mutable 成員變量將永遠處于可改變的狀態(tài)，它在實際的項目開發(fā)中被嚴禁濫用。我們先來試試，在 m_count 定義前加上 mutable 。

自定義內存管理（五十七）

        我們看到編譯通過，并且成功運行。我們再來看看 mutable 關鍵字有什么特性，mutable 成員變量破壞了只讀對象的內部狀態(tài)，const 成員函數(shù)保證只讀對象的狀態(tài)不變性，mutable 成員變量的出現(xiàn)無法保證狀態(tài)不變性。我們再次進行改寫，程序如下

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Test
{
    int m_Value;
    int * const m_pCount;
public:
    Test(int value = 0) : m_pCount(new int(0))
    {
        m_Value = value;
    }
    
    int getValue() const
    {
        *m_pCount = *m_pCount + 1;
        
        return m_Value;
    }
    
    int setValue(int value)
    {
        *m_pCount = *m_pCount + 1;
        
        m_Value = value;
    }
    
    int getCount() const
    {
        return *m_pCount;
    }
    
    ~Test()
    {
        delete m_pCount; 
    }
};

int main()
{
    Test t;
    
    t.setValue(100);
    
    cout << "t.m_value = " << t.getValue() << endl;
    cout << "t.m_count = " << t.getCount() << endl;
    
    const Test ct(200);
    
    cout << "ct.m_value = " << ct.getValue() << endl;
    cout << "ct.m_count = " << ct.getCount() << endl;
    
    return 0;
}

        我們定義一個 int* const 類型的指針，然后在構造函數(shù)中進行初始化，再利用它進行 ++操作。我們看看編譯結果

自定義內存管理（五十七）

        已經(jīng)正確實現(xiàn)了哈。下面又是一個很有意思的面試題：new 關鍵字創(chuàng)建出來的對象位于什么地方？我們大多數(shù)人的第一反應是肯定是堆嘛，new 出來的對象肯定在堆上嘛。其實不一定哦。new/delete 的本質是 C++ 預定義的操作符，C++ 對這兩個操作符做了嚴格的行為定義。new：1.獲取足夠大的內存空間（默認為堆空間）；2、在獲取的空間中調用構造函數(shù)創(chuàng)建對象。delete：1、調用析構函數(shù)銷毀對象；2、歸還對象所占用的空間（默認為堆空間）。那么在 C++ 中是能夠重載 new/delete 操作符的，全局重載（不推薦）和局部重載（針對具體類型進行重載）。重載 new/delete 的意義在于改變動態(tài)對象創(chuàng)建時的內存分配方式。

        下來我們就來利用 new/delete 的重載在靜態(tài)存儲區(qū)中創(chuàng)建動態(tài)對象。

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Test
{
    static const unsigned int COUNT = 4;
    static char c_buffer[];
    static char c_map[];
public:
    void* operator new (unsigned int size)
    {
        void* ret = NULL;
        
        for(int i=0; i<COUNT; i++)
        {
            if( !c_map[i] )
            {
                c_map[i] = 1;
                
                ret = c_buffer + i * sizeof(Test);
                
                cout << "succeed to allocate memory: " << ret << endl;
                
                break;
            }
        }
        
        return ret;
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        if( p != NULL )
        {
            char* mem = reinterpret_cast<char*>(p);
            int index = (mem - c_buffer) / sizeof(Test);
            int flag = (mem - c_buffer) % sizeof(Test);
            
            if( (flag == 0) && (0 <= index) && (index < COUNT) )
            {
                c_map[index] = 0;
                
                cout << "succeed to free memory: " << c_map[index] << endl;
            }
        }
    }
};

char Test::c_buffer[sizeof(Test) * Test::COUNT];
char Test::c_map[Test::COUNT] = {0};

int main()
{
    cout << "==== Test Single Object ====" << endl;
    
    Test* pt = new Test;
    
    delete pt;
    
    cout << "==== Test Object Array ====" << endl;
    
    Test* pa[5] = {0};
    
    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        pa[i] = new Test;
        
        cout << "pa[" << i << "] = " <<pa[i] << endl; 
    }
    
    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        cout << "delet " << pa[i] << endl;
        
        delete pa[i];
    }
    
    return 0;
}

        我們在全局數(shù)據(jù)區(qū)定義了 4 個數(shù)據(jù)類型大小的空間，所以只能申請 4 個數(shù)據(jù)類型大小的空間。在 main 函數(shù)中申請了 5 個數(shù)據(jù)類型，因此編譯器只會分配 4 ，最后一個肯定分配不成功。注意：這都是在全局數(shù)據(jù)區(qū)，而不是在堆上。我們來看看編譯結果

自定義內存管理（五十七）

        我們看到的確是只分配了 4 個 int 類型大小的空間，最后一個為 0，沒分配成功。我們已經(jīng)利用重載 new/delete 操作符，將 new 出來的對象位于全局數(shù)據(jù)區(qū)了，所以 new 出來的對象不一定是只在堆空間中，只是默認在堆空間中。

        下來我們再來看一個面試題：如何在指定的地址上創(chuàng)建 C++ 對象？解決方案：a> 在類中重載 new/delete 操作符；b> 在 new 的操作符重載函數(shù)中返回指定的地址；c> 在 delete 操作符重載中標記對應的地址可用。下來我們來看看程序怎么寫

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
    static unsigned int c_count;
    static char* c_buffer;
    static char* c_map;
public:
    static bool SetMemorySource(char* memory, unsigned int size)
    {
        bool ret = false;
        
        c_count = size / sizeof(Test);
        
        ret = (c_count && (c_map = reinterpret_cast<char*>(calloc(c_count, sizeof(char)))));
        
        if( ret )
        {
            c_buffer = memory;
        }
        else
        {
            free(c_map);
            
            c_map = NULL;
            c_buffer = NULL;
            c_count = 0;
        }
        
        return ret;
    }
    
    void* operator new (unsigned int size)
    {
        void* ret = NULL;
        
        if( c_count > 0 )
        {
            for(int i=0; i<c_count; i++)
            {
                if( !c_map[i] )
                {
                    c_map[i] = 1;
                    
                    ret = c_buffer + i * sizeof(Test);
                    
                    cout << "succeed to allocate memory: " << ret << endl;
                    
                    break;
                }
            }
        }
        else
        {
            ret = malloc(size);
        }
        
        return ret;
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        if( p != NULL )
        {
            if( c_count > 0 )
            {
                char* mem = reinterpret_cast<char*>(p);
                int index = (mem - c_buffer) / sizeof(Test);
                int flag = (mem - c_buffer) % sizeof(Test);
                
                if( (flag == 0) && (0 <= index) && (index < c_count) )
                {
                    c_map[index] = 0;
                    
                    cout << "succeed to free memory: " << c_map[index] << endl;
                }
            }
            else
            {
                free(p);
            }
        }
    }
};

unsigned int Test::c_count = 0;
char* Test::c_buffer = NULL;
char* Test::c_map = NULL;

int main()
{
    char buffer[12] = {0};
    
    Test::SetMemorySource(buffer, sizeof(buffer));
    
    cout << "==== Test Single Object ====" << endl;
    
    Test* pt = new Test;
    
    delete pt;
    
    cout << "==== Test Object Array ====" << endl;
    
    Test* pa[5] = {0};
    
    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        pa[i] = new Test;
        
        cout << "pa[" << i << "] = " <<pa[i] << endl; 
    }
    
    for(int i=0; i<5; i++)
    {
        cout << "delet " << pa[i] << endl;
        
        delete pa[i];
    }
    
    return 0;
}

        我們在全局數(shù)據(jù)區(qū)自定義數(shù)組 buffer，然后再在 buffer 里進行操作。看看編譯結果

自定義內存管理（五十七）

        我們看到已經(jīng)正確實現(xiàn)了。還有一個：new[] / delete[] 和 new / delete 一樣嗎？它們是完全不同的。動態(tài)對象數(shù)組創(chuàng)建通過 new[] 完成，動態(tài)對象數(shù)組的銷毀通過 delete[] 完成。而 new[] / delete[] 能夠被重載，進而會改變內存管理方式。通過 new[] 操作，實際返回的內存空間可能比期望的要多。因為對象數(shù)組占用的內存中需要保存數(shù)組信息，數(shù)組信息用于確定構造函數(shù)和析構函數(shù)的調用次數(shù)。

        下來我們還是通過示例代碼來進行分析

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class Test
{
    int m_Value;
public:
    Test()
    {
        m_Value = 0;
    }
    
    ~Test()
    {
    }
    
    void* operator new (unsigned int size)
    {
        cout << "operator new: " << size << endl;
        
        return malloc(size);
    }
    
    void operator delete (void* p)
    {
        cout << "operator delete: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
    
    void* operator new[] (unsigned int size)
    {
        cout << "operator new[]: " << size << endl;
        
        return malloc(size);
    }
    
    void operator delete[] (void* p)
    {
        cout << "operator delete[]: " << p << endl;
        
        free(p);
    }
};

int main()
{
    Test* pt = NULL;
    
    pt = new Test;
    
    delete pt;
    
    pt = new Test[5];
    
    delete[] pt;
    
    return 0;
}

        按照我們之前的想法是 new[5] 肯定是 20了，但是我們今天剛講了它是需要額外的存儲空間來存放用于管理數(shù)組信息的空間的，因此申請出來的肯定會比 20 大。我們來看看編譯結果

自定義內存管理（五十七）

        我們看到申請數(shù)組申請出來的是 24 個字節(jié)的空間。通過對一些經(jīng)典面試題的學習，總結如下：1、new/delete 的本質為操作符；2、可以通過全局函數(shù)重載 new/delete（不推薦），也可以針對具體的類進程重載 new/delete；3、new[] / delete[] 與 new/delete 完全不同；4、new[] / delete[] 也是可以被重載的操作符，new[] 返回的內存空間可能比期望的要多。

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