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C++重写new和delete,比想像中困难(一)
2019-01-06 18:08:36 】 浏览:36
Tags:重写 new delete 想像 困难

  关于C++内存管理这话题,永远都不过时。在我刚出道的时候,就已经在考虑怎么检测内存泄漏(https://www.cnblogs.com/coding-my-life/p/3985164.html)。想用一份简单的代码,并且不太影响执行效率去实现内存泄漏检测,是不太现实的。当时觉得重写new和delete是没有太大价值的,不过后来在自己的项目中还是重写了,加了个计数。在程序退出时检测下计数new的次数和delete次数是否对得上,对不上就是有问题了,再用valgrind之类的工具去检测。这种排除不了所有情况,但确实也解决了一些问题。毕竟每次写新功能时发现问题立马去解决,比你写了成千上万个功能,上线后出问题再查找容易得多。

  在windows下则有另一种方案, C Run-time Library (CRT) debug,_CrtDumpMemoryLeaks()函数,这也仅仅是发现泄漏,定位还得用另一个工具visual leak detector。最近在解决公司程序内存泄漏过程中,发现其实并没有内存泄漏,而是程序是在atexit里调用_CrtDumpMemoryLeaks()函数的,而static变量申请的内存,可能要在atexit回调之后释放。由此,我忽然想到我以前重写new和delete,有些地方写得并不对,在这里重新整理一下。

  new、delete并不是一个函数,它在编译的时候会被解析成三个步骤:1.调用operator new分配内存;2.调用构造函数;3.把指针转换成对应的类型返回。能够重写的,是operator new函数。

#include <cstdlib>
#include <iostream>

int g_counter  = 0;

void *operator new(size_t size)
{

    ++g_counter;
    std::cout << "new mem:" << g_counter << std::endl;

    return ::malloc(size);
}

void operator delete(void* ptr)
{
    --g_counter;
    std::cout << "delete mem:" << g_counter << std::endl;

    ::free(ptr);
}

void on_exit()
{
    std::cout << "exit,mem counter = " << g_counter << std::endl;
}

int main()
{
    atexit(on_exit);

    char *ptr = new char[8];

    return 0;
}
$ g++ main.cpp$ ./a.out 
new mem:1
exit,mem counter = 1

上面简单地重写了operator new和operator delete,在程序退出时可以检测到还有一次内存没释放掉。但上面的代码存在很多问题。

 

1. 尽量重写所有函数

  C++的operator new和operator delete函数通常比你想像中的多。而且不同的版本会带来不同的函数,17、20版本都相应的增加了一些函数,参考https://en.cppreference.com/w/cpp/memory/new/operator_new。 如果你没有重写完,虽然能编译通过,但可能并不是你想要的结果。比如上面的代码,new char[8]本应该调用operator new[]函数的,由于没有重写operator new[],默认调用了libstdcxx中的operator new[],默认函数又调用了operator new。虽然这不一定有什么问题,但在某些项目中,对内存分配做了特殊处理,或者一些特殊操作(比如一个内存池重写了operator new[]但没重写operator delete[],而他们的内存是回收到不同地方),这就会出问题。

 

2. 利用atexit统计内存并不准确

  atexit是在程序退出时调用,对绝大多数变量来说都是OK的,但对static和global变量则不一定了。根据C++标准:https://isocpp.org/files/papers/N3690.pdf 3.6.3 Termination,atexit注册之前就已经创建的变量,则在atexit之后释放,这意味着你的static和global变量如果new了内存必须在atexit之后创建。但这又引出C++的另一个问题:static initialization order fiasco。当然我们有很多方法去处理它,比如把所有static和global放到一个cpp文件里,或者在程序退出时手动释放new的内存。另外,gcc链接的时候,放在最后的object文件里的global变量会优先初始化,或者用gcc的__attribute__ ((init_priority (N)))属性来指定初始化优先级,但这不是标准,不过这毕竟是值得注意的地方。

 

3. 线程安全

  上面的代码没有加锁,所以是不能用在多线程中的。但现在有几个程序不用多线程的,所以还是得把锁加上,加锁的代码很简单。

static pthread_mutex_t *counter_mutex()
{
    static pthread_mutex_t _mutex;
    assert( 0 == pthread_mutex_init( &_mutex,NULL ) );
    return &_mutex;
}
static pthread_mutex_t *_mem_mutex_ = counter_mutex();

int g_counter  = 0;

void *operator new(size_t size)
{

    assert( _mem_mutex_ );

    pthread_mutex_lock( _mem_mutex_ );
    ++g_counter;
    pthread_mutex_unlock( _mem_mutex_ );

    std::cout << "new mem:" << g_counter << std::endl;

    return ::malloc(size);
}

 

4. 线程安全带来初始化问题

  在上面说atexit统计内存不准确的时候提到static initialization order fiasco的问题,在这里变得更严重了。因为线程安全是用一个static pthread_mutex_t指针来实现的,那么在其他global变量创建时如果调用了new,那么它可能是没有被初始化的。当然如果你已按上面的方法解决了,那就不会有这个问题了。或者,根据C++标准,Static initialization初始化必须在所有Dynamic initialization之前,我们可以这样写:

/* Static initialization */
static pthread_mutex
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