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二級C++輔導(dǎo)筆記：類和堆
一、構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)
前面的例子已經(jīng)運用了new和delete來為類對象分配和釋放內(nèi)存。當使用new為類對象分配內(nèi)存時，編譯器首先用new運算符分配內(nèi)存，然后調(diào)用類的構(gòu)造函數(shù);類似的，當使用delete來釋放內(nèi)存時，編譯器會首先調(diào)用淚的析構(gòu)函數(shù)，然后再調(diào)用delete運算符。
#include iostream.h
class Date
{
int mo,da,yr;
public:
Date() { cout < ~Date() { cout< }
int main()
{
Date* dt = new Date;
cout < delete dt;
return 0;
}
程序定義了一個有構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的Date類，這兩個函數(shù)在執(zhí)行時會顯示一條信息。當new運算符初始化指針dt時，執(zhí)行了構(gòu)造函數(shù)，當delete運算符釋放內(nèi)存時，又執(zhí)行了析構(gòu)函數(shù)。
程序輸出如下：
Date constructor
Process the date
Date destructor
二、堆和類數(shù)組
前面提到，類對象數(shù)組的每個元素都要調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)。下面的例子給出了一個錯誤的釋放類數(shù)組所占用的內(nèi)存的例子。
#include iostream.h
class Date
{
int mo, da, yr;
public:
Date() { cout < ~Date() { cout< }
int main()
{
Date* dt = new Date[5];
cout < delete dt; //這兒
return 0;
}
指針dt指向一個有五個元素的數(shù)組。按照數(shù)組的定義，編譯器會讓new運算符調(diào)用Date類的構(gòu)造函數(shù)五次。但是delete被調(diào)用時，并沒有明確告訴編譯器指針指向的Date對象有幾個，所以編譯時，只會調(diào)用析構(gòu)函數(shù)一次。下面是程序輸出;
Date constructor
Date constructor
Date constructor
Date constructor
Date constructor
Process the date
Date destructor
為了解決這個問題，C++允許告訴delete運算符，正在刪除的那個指針時指向數(shù)組的，程序修改如下：
#include iostream.h
class Date
{
int mo, da, yr;
public:
Date() { cout < ~Date() { cout< }
int main()
{
Date* dt = new Date[5];
cout < delete [] dt; //這兒
return 0;
}
最終輸出為：
Date constructor
Date constructor
Date constructor
Date constructor
Date constructor
Process the date
Date destructor
Date destructor
Date destructor
Date destructor
Date destructor
三、重載new和delete運算符
前面已經(jīng)介紹了如何用new和delete運算符函數(shù)來動態(tài)第管理內(nèi)存，在那些例子中使用的都是全局的new和delete運算符。我們可以重載全局的new和delete運算符，但這不是好的想法，除非在進行低級的系統(tǒng)上或者嵌入式的編程。
但是，在某個類的內(nèi)部重載new和delete運算符時可以的。這允許一個類有它自己的new和delete運算符。當一個類需要和內(nèi)存打交道時，采用這種方法來處理其中的細節(jié)，可以獲得很搞的效率，同時避免了使用全局new和delete運算符帶來的額外開銷。因為全局堆操作時調(diào)用操作系統(tǒng)函數(shù)來分配和釋放內(nèi)存，這樣效率很低。
如果確定某個類在任何時候，其實例都不會超過一個確定的值，那么就可以一次性為類的所有實例分配足夠的內(nèi)存，然后用該類的new和delete運算符來管理這些內(nèi)存。下面的程序說明了如何對new和delete進行重載。
#include iostream.h
#include string.h
#include stddef.h
#include new.h
const int maxnames = 5;
class Names
{
char name[25];
static char Names::pool[];
static bool Names::inuse[maxnames];
public:
Names(char* s) { strncpy(name,s,sizeof(name)); }
void* operator new(size_t) throw(bad_alloc);
void operator delete(void*) throw();
void display() const { cout < };
char Names::pool[maxnames * sizeof(Names)];
bool Names::inuse[maxnames];
void* Names::operator new(size_t) throw(bad_alloc)
{
for(int p=0; p {
if(!inuse[p])
{
inuse[p] = true;
return pool+p*sizeof(Names);
}
}
throw bad_alloc();
}
void Names::operator delete(void* p) throw()
{
if(p!=0)
inuse[((char*)p - pool)/sizeof(Names)] = false;
}
int main()
{
Names* nm[maxnames];
int i;
for(i=0; i {
cout < char name[25];
cin >> name;
nm[i] = new Names(name);
}
for(i=0; i {
nm[i]- >display();
delete nm[i];
}
return 0;
}
上面的程序提示輸入5個姓名，然后顯示它們。程序中定義了名為Names的類，它的構(gòu)造函數(shù)初始化對象的name值。這個類定義了自己的new和delete運算符。這是因為程序能保證不會一次使用超過maxnames個姓名，所以可以通過重載默認的new和delete運算符來提高運行速度。
Names類中的內(nèi)存池是一個字符數(shù)組，可以同時容納程序需要的所有姓名。與之相關(guān)的布爾型數(shù)組inuse為每個姓名記錄了一個true和false值，指出內(nèi)存中的對應(yīng)的項是否正在使用。
重載的new運算符在內(nèi)存池中尋找一個沒有被使用的項，然后返回它的地址。重載的delete運算符則標記那些沒有被使用的項。
在類定義中重載的new和delete運算符函數(shù)始終是靜態(tài)的，并且沒有和對象相關(guān)的this指針。這是因為編譯器會在調(diào)用構(gòu)造函數(shù)之前調(diào)用new函數(shù)，在調(diào)用析構(gòu)函數(shù)后調(diào)用delete函數(shù)。
new函數(shù)是在類的構(gòu)造函數(shù)之前被調(diào)用的。因為這時內(nèi)存中還不存在類的對象而且構(gòu)造函數(shù)也沒有提供任何初始化值，所以它不可以訪問類的任何成員。同理，delete運算符是在析構(gòu)函數(shù)之后被調(diào)用的，所以它也不可以訪問類的成員。
四、異常監(jiān)測和異常處理
1.檢測異常
上面的例子還缺少必要的保護機制。比如，重載的delete運算符函數(shù)并沒有檢查它的參數(shù)，確認其是否落在內(nèi)存池內(nèi)部。如果你絕對相信自己編的程序中不會傳遞錯誤的指針值給delete運算符，那么可以省掉合法性檢查以提高效率，特別是在優(yōu)先考慮效率的程序中。否則應(yīng)該使用預(yù)編譯的條件語句。在軟件的測試版本中加入這些檢測，在正式的發(fā)行版本中去掉這些檢查。
2.重載new和delete中的異常處理
上面的兩個重載運算符函數(shù)都是用了異常處理。異常處理是C++的新內(nèi)容之一，目前還沒有講到。在這里不必關(guān)心它是如何工作的。上面程序中，當試圖分配超過內(nèi)存池容量的Names緩沖區(qū)，重載的new運算符函數(shù)就會拋出異常，終止程序。
五、重載new[]和delete[]
對于上面的程序，假如有下面的語句:
Names *nms=new Names[10]
...
delete [] nms;
那么，這些語句會調(diào)用全局new和delete運算符，而不是重載過的new和delete。為了重載能為對象數(shù)組分配內(nèi)存的new和delete運算符，必須像下面的程序一樣，對new[]和delete[]也進行重載。
#include iostream.h
#include string.h
#include stddef.h
#include new.h
const int maxnames = 5;
class Names
{
char name[25];
static char Names::pool[];
static bool Names::inuse[maxnames];
public:
Names(char* s) { strncpy(name,s,sizeof(name)); }
void* operator new(size_t) throw(bad_alloc);
void operator delete(void*) throw();
void display() const { cout < };
char Names::pool[maxnames * sizeof(Names)];
bool Names::inuse[maxnames];
void* Names::operator new[](size_t size) throw(bad_alloc)
{
int elements=size/sizeof(Names);
int p=-1;
int i=0;
while((i {
if(!inuse[i]) p=i;
++i;
}
// Not enough room.
if ((p==-1) || ((maxnames-p) for(int x=0; x return pool+p*sizeof(Names);
}
void Names::operator delete[](void* b) throw()
{
if(b!=0)
{
int p=((char*)b- pool)/sizeof(Names);
int elements=inuse[p];
for (int i=0; i }
}
int main()
{
Names* np = new Names[maxnames];
int i;
for(i=0; i {
cout < char name[25];
cin >> name;
*(np + i) = name;
}
for(i=0; idisplay();
delete [] np;
return 0;
}
重載new[]和delete[]要比重載new和delete考慮更多的問題。這是因為new[]運算符時為數(shù)組分配內(nèi)存，所以它必須記住數(shù)組的大小，重載的delete[]運算符才能正確地把緩沖區(qū)釋放回內(nèi)存池。上面的程序采用的方法比較簡單，吧原來存放緩沖區(qū)使用標志的布爾型數(shù)組換成一個整型數(shù)組，該數(shù)組的每個元素記錄new[]運算符分配的緩沖區(qū)個數(shù)，而不再是一個簡單的true。當delete[]運算符函數(shù)需要把緩沖區(qū)釋放回內(nèi)存池時，它就會用該數(shù)組來確認釋放的緩沖區(qū)個數(shù)。
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