理解C++ new-handler机制

发布时间:2020-11-11 发布网站:编程之家
编程之家收集整理的这篇文章主要介绍了理解C++ new-handler机制编程之家小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。

  当 operator new 不能满足一个内存分配请求时,它抛出一个 exception(异常)。很久以前,他返回一个 null pointer(空指针),而一些比较老的编译器还在这样做。你依然能达到以前的目的(在一定程度上),但是我要到本文的最后再讨论它。 

  在 operator new 因回应一个无法满足的内存请求而抛出一个 exception 之前,它先调用一个可以由客户指定的被称为 new-handler 的 error-handling function(错误处理函数)。(这并不完全确切,operator new 真正做的事情比这个稍微复杂一些,详细细节将在下一篇文章中讨论。)为了指定 out-of-memory-handling function,客户调用 set_new_handler ——一个在 <new> 中声明的标准库函数:

namespace std {
 typedef void (*new_handler)();
 new_handler set_new_handler(new_handler p) throw();
}

  就像你能够看到的,new_handler 是一个指针的 typedef,这个指针指向不取得和返回任何东西的函数,而 set_new_handler 是一个取得和返回一个 new_handler 的函数。(set_new_handler 的声明的结尾处的 "throw()" 是一个 exception specification(异常规范)。它基本上是说这个函数不会抛出任何异常,尽管真相更有趣一些。关于细节,参见《C++箴言:争取异常安全的代码》。)

  set_new_handler 的形参是一个指向函数的指针,这个函数是 operator new 无法分配被请求的内存时应该调用的。set_new_handler 的返回值是一个指向函数的指针,这个函数是 set_new_handler 被调用前有效的目标。

  你可以像这样使用 set_new_handler:

// function to call if operator new can't allocate enough memory
void outOfMem()
{
 std::cerr << "Unable to satisfy request for memory\n";
 std::abort();
}
int main()
{
 std::set_new_handler(outOfMem);
 int *pBigDataArray = new int[100000000L];
 ...
}

如果 operator new 不能为 100,000,000 个整数分配空间,outOfMem 将被调用,而程序将在发出一个错误信息后中止。(顺便说一句,考虑如果在写这个错误信息到 cerr... 的过程中内存必须被动态分配会发生什么。)

  当 operator new 不能满足一个内存请求时,它反复调用 new-handler function 直到它能找到足够的内存。但是从这种高层次的描述已足够推导出一个设计得好的 new-handler function 必须做到以下事情之一:

  ·Make more memory available(使得更多的内存可用)。这可能使得 operator new 中下一次内存分配的尝试成功。实现这一策略的一个方法是在程序启动时分配一大块内存,然后在 new-handler 第一次被调用时释放它供程序使用。 

  ·Install a different new-handler(安装一个不同的 new-handler)。如果当前的 new-handler 不能做到使更多的内存可用,或许它知道有一个不同的 new-handler 可以做到。如果是这样,当前的 new-handler 能在它自己的位置上安装另一个 new-handler(通过调用 set_new_handler)。operator new 下一次调用 new-handler function 时,它会得到最近安装的那一个。(这个主线上的一个变化是让一个 new-handler 改变它自己的行为,这样,下一次它被调用时,可以做一些不同的事情。做到这一点的一个方法是让 new-handler 改变能影响 new-handler 行为的 static(静态),namespace-specific(名字空间专用)或 global(全局)的数据。) 

  ·Deinstall the new-handler(卸载 new-handler),也就是,将空指针传给 set_new_handler。没有 new-handler 被安装,当内存分配没有成功时,operator new 抛出一个异常。 

  ·Throw an exception(抛出一个异常),类型为 bad_alloc 或继承自 bad_alloc 的其它类型。这样的异常不会被 operator new 捕获,所以它们将被传播到发出内存请求的地方。 

  ·Not return(不再返回),典型情况下,调用 abort 或 exit。 

  这些选择使你在实现 new-handler functions 时拥有极大的弹性。

  有时你可能希望根据被分配 object 的不同,用不同的方法处理内存分配的失败:

class X {
public:
 static void outOfMemory();
 ...
};
class Y {
public:
 static void outOfMemory();
 ...
};
X* p1 = new X; // if allocation is unsuccessful,// call X::outOfMemory

Y* p2 = new Y; // if allocation is unsuccessful,// call Y::outOfMemory

  C++ 没有对 class-specific new-handlers 的支持,但是它也不需要。你可以自己实现这一行为。你只要让每一个 class 提供 set_new_handler 和 operator new 的它自己的版本即可。class 的 set_new_handler 允许客户为这个 class 指定 new-handler(正像standard set_new_handler 允许客户指定global new-handler)。class 的 operator new 确保当为 class objects 分配内存时,class-specific new-handler 代替 global new-handler 被使用。

  假设你要为 Widget class 处理内存分配失败。你就必须清楚当 operator new 不能为一个 Widget object 分配足够的内存时所调用的函数,所以你需要声明一个 new_handler 类型的 static member(静态成员)指向这个 class 的 new-handler function。Widget 看起来就像这样:

class Widget {
public:
 static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();
 static void * operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);
private:
 static std::new_handler currentHandler;
};

  static class members(静态类成员)必须在 class 定义外被定义(除非它们是 const 而且是 integral),所以:

std::new_handler Widget::currentHandler = 0; // init to null in the class
// impl. file

  Widget 中的 set_new_handler 函数会保存传递给它的任何指针,而且会返回前次调用时被保存的任何指针,这也正是 set_new_handler 的标准版本所做的事情:

std::new_handler Widget::set_new_handler(std::new_handler p) throw()
{
 std::new_handler oldHandler = currentHandler;
 currentHandler = p;
 return oldHandler;
}

 最终,Widget 的 operator new 将做下面这些事情:

 以 Widget 的 error-handling function 为参数调用 standard set_new_handler。这样将 Widget 的new-handler 安装为 global new-handler。 

  调用 global operator new 进行真正的内存分配。如果分配失败,global operator new 调用 Widget 的 new-handler,因为那个函数刚才被安装为 global new-handler。如果 global operator new 最后还是无法分配内存,它会抛出一个 bad_alloc exception。在此情况下,Widget 的 operator new 必须恢复原来的 global new-handler,然后传播那个 exception。为了确保原来的 new-handler 总能被恢复,Widget 将 global new-handler 作为一种资源对待,并遵循《C++箴言:使用对象管理资源》中的建议,使用 resource-managing objects(资源管理对象)来预防 resource leaks(资源泄漏)。 

  如果 global operator new 能够为一个 Widget object 分配足够的内存,Widget 的 operator new 返回一个指向被分配内存的指针。object 的用于管理 global new-handler 的 destructor(析构函数)自动将 global new-handler 恢复到调用 Widget 的 operator new 之前的状态。 

  以下就是你如何在 C++ 中表达这所有的事情。我们以 resource-handling class 开始,组成部分中除了基本的 RAII 操作(在构造过程中获得资源并在析构过程中释放)(《C++箴言:使用对象管理资源》),没有更多的东西:

class NewHandlerHolder {
public:
 explicit NewHandlerHolder(std::new_handler nh) // acquire current
 :handler(nh) {} // new-handler

 ~NewHandlerHolder() // release it
 { std::set_new_handler(handler); }
private:
 std::new_handler handler; // remember it

 NewHandlerHolder(const NewHandlerHolder&); // prevent copying
 NewHandlerHolder& // (see 《C++箴言:谨慎考虑资源管理类的拷贝行为》)
 operator=(const NewHandlerHolder&);
};

  这使得 Widget 的 operator new 的实现非常简单:

void * Widget::operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc)
{
 NewHandlerHolder // install Widget's
 h(std::set_new_handler(currentHandler)); // new-handler

 return ::operator new(size); // allocate memory
 // or throw

} // restore global
// new-handler

  Widget 的客户像这样使用它的 new-handling capabilities(处理 new 的能力):

void outOfMem(); // decl. of func. to call if mem. alloc.
// for Widget objects fails

Widget::set_new_handler(outOfMem); // set outOfMem as Widget's
// new-handling function

Widget *pw1 = new Widget; // if memory allocation
// fails,call outOfMem

std::string *ps = new std::string; // if memory allocation fails,// call the global new-handling
// function (if there is one)

Widget::set_new_handler(0); // set the Widget-specific
// new-handling function to
// nothing (i.e.,null)

Widget *pw2 = new Widget; // if mem. alloc. fails,throw an
// exception immediately. (There is
// no new- handling function for
// class Widget.)

  无论 class 是什么,实现这个方案的代码都是一样的,所以在其它地方重用它就是一个合理的目标。使它成为可能的一个简单方法是创建一个 "mixin-style" base class(“混合风格”基类),也就是说,一个设计为允许 derived classes(派生类)继承一个单一特定能力(在当前情况下,就是设定一个 class-specific new-handler 的能力)的 base class(基类)。然后把这个 base class(基类)转化为一个 template(模板),以便于你得到针对每一个 inheriting class(继承来的类)的 class data 的不同拷贝。

  这个设计的 base class(基类)部分让 derived classes(派生类)继承它们全都需要的 set_new_handler 和 operator new functions,而这个设计 template(模板)部分确保每一个 inheriting class(继承来的类)得到一个不同的 currentHandler data member(数据成员)。这听起来可能有点复杂,但是代码看上去可靠而且熟悉。实际上,仅有的真正不同是它现在可以用在任何需要它的 class 之上:

template<typename T> // "mixin-style" base class for
class NewHandlerSupport{ 
 // class-specific set_new_handler
public: // support

 static std::new_handler set_new_handler(std::new_handler p) throw();
 static void * operator new(std::size_t size) throw(std::bad_alloc);

 ... // other versions of op. new
private:
 static std::new_handler currentHandler;
};

template<typename T>
std::new_handler
NewHandlerSupport<T>::set_new_handler(std::new_handler p) throw()
{
 std::new_handler oldHandler = currentHandler;
 currentHandler = p;
 return oldHandler;
}

template<typename T>
void* NewHandlerSupport<T>::operator new(std::size_t size)
throw(std::bad_alloc)
{
 NewHandlerHolder h(std::set_new_handler(currentHandler));
 return ::operator new(size);
}
// this initializes each currentHandler to null
template<typename T>
std::new_handler NewHandlerSupport<T>::currentHandler = 0;

  有了这个 class template(类模板),为 Widget 增加 set_new_handler 支持就很容易了:Widget 只需要从 NewHandlerSupport<Widget> 继承即可。(可能看起来很奇特,但是下面我将解释更多的细节。)

class Widget: public NewHandlerSupport<Widget> {
 ... // as before,but without declarations for
}; // set_new_handler or operator new

  这些就是 Widget 为了提供一个 class-specific set_new_handler 所需要做的全部。

  但是也许你依然在为 Widget 从 NewHandlerSupport<Widget> 继承而烦恼。如果是这样,当你注意到 NewHandlerSupport template 从来没有用到它的 type parameter T 时,你可能会更加烦恼。它不需要那样做。我们需要的全部就是为每一个从 NewHandlerSupport 继承的 class 提供一份不同的 NewHandlerSupport ——特别是它的 static data member(静态数据成员)currentHandler ——的拷贝。template parameter T 只是为了将一个 inheriting class 同另一个区分开来。template 机制自己自动地为每一个被实例化的 NewHandlerSupport 中的 T 生成一个 currentHandler 的拷贝。 

  对于 Widget 从一个把 Widget 当作一个 type parameter(类型参数)的 templatized base class(模板化基类)继承,如果这个概念把你弄得有点糊涂,不必难受。它最开始对每一个人都有这种影响。然而,它发展成如此有用的一项技术,它有一个名字,虽然它正常看上去所反映的事实并不是他们第一次看到它的样子。它被称作 curiously recurring template pattern(奇特的递归模板模式) (CRTP)。真的。

  在这一点上,我发表了一篇文章建议一个更好的名字叫做 "Do It For Me",因为当 Widget 从 NewHandlerSupport<Widget> 继承时,它其实是在说:“我是 Widget,而我要从针对 Widget 的 NewHandlerSupport class 继承。”没有人使用我提议的名字(甚至是我自己),但是把 CRTP 考虑成说 "do it for me" 的一种方式也许会帮助你理解 templatized inheritance(模板化继承)在做些什么。

  像 NewHandlerSupport 这样的 templates 使得为任何有需要的 class 添加一个 class-specific new-handler 变得易如反掌。然而,mixin-style inheritance(混合风格继承)总是会导致 multiple inheritance(多继承)的话题,而在我们沿着这条路走下去之前,你需要阅读《C++箴言:谨慎使用多继承》。

  直到 1993 年,C++ 还要求 operator new 不能分配被请求的内存时要返回 null。operator new 现在则被指定抛出一个 bad_alloc exception,但是很多 C++ 程序是在编译器开始支持这个修订标准之前写成的。C++ 标准化委员会不想遗弃这些 test-for-null(检验是否为 null)的代码基础,所以他们提供了 operator new 的另一种可选形式,用以提供传统的 failure-yields-null(失败导致 null)的行为。这些形式被称为 "nothrow" 形式,这在一定程度上是因为它们在使用 new 的地方使用了 nothrow objects(定义在头文件 <new> 中):

class Widget { ... };
Widget *pw1 = new Widget; // throws bad_alloc if
// allocation fails

if (pw1 == 0) ... // this test must fail

Widget *pw2 =new (std::nothrow) Widget; // returns 0 if allocation for
// the Widget fails

if (pw2 == 0) ... // this test may succeed

  对于异常,nothrow new 提供了比最初看上去更少的强制保证。在表达式 "new (std::nothrow) Widget" 中,发生了两件事。首先,operator new 的 nothrow 版本被调用来为一个 Widget object 分配足够的内存。如果这个分配失败,众所周知,operator new 返回 null pointer。然而,如果它成功了,Widget constructor 被调用,而在此刻,所有打的赌都失效了。Widget constructor 能做任何它想做的事。它可能自己 new 出来一些内存,而如果它这样做了,它并没有被强迫使用 nothrow new。那么,虽然在 "new (std::nothrow) Widget" 中调用的 operator new 不会抛出,Widget constructor 却可以。如果它这样做了,exception 像往常一样被传播。结论?使用 nothrow new 只能保证 operator new 不会抛出,不能保证一个像 "new (std::nothrow) Widget" 这样的表达式绝不会导致一个 exception。在所有的可能性中,你最好绝不需要 nothrow new。

  无论你是使用 "normal"(也就是说,exception-throwing)new,还是它的稍微有些矮小的堂兄弟,理解 new-handler 的行为是很重要的,因为它可以用于两种形式。

  Things to Remember

  ·set_new_handler 允许你指定一个当内存分配请求不能被满足时可以被调用的函数。 

  ·nothrow new 作用有限,因为它仅适用于内存分配,随后的 constructor 调用可能依然会抛出 exceptions。

总结

以上是编程之家为你收集整理的理解C++ new-handler机制全部内容,希望文章能够帮你解决理解C++ new-handler机制所遇到的程序开发问题。

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