C++ 中 "placement new" 运算符有什么用？

在 C++ 语言中，进行动态内存分配和对象构造时，内存分配有时会成为一个挑战。开发者最终需要更多地控制新构造对象的预期位置。这时，"placement new" 运算符就能提供帮助。与 new 运算符不同，new 运算符意味着程序员可以选择对象的精确创建内存位置，而 placement new 运算符则使程序员能够指定对象应该被构造的确切内存位置。这扩展了对指定用途的遵从性，并使其适用于某些高级编程应用。

语法

在 C++ 中使用 placement new 运算符的语法很简单。它涉及指定对象应该放置的内存地址，然后显式调用构造函数。

new (address) Type(arguments);

示例 1

假设我们要在一个特定内存位置创建一个 MyClass 类的对象。以下是使用 placement new 运算符实现此目的的方法：

输出

When we run the above code, we'll get the following output:
Constructor called. Value: 42
Destructor called. Value: 42

说明

1. 在此示例中，我们使用 malloc() 函数为 MyClass 对象分配内存。此内存未初始化。
2. 之后，我们使用 placement new 运算符在指定的内存位置构造一个 MyClass 对象。
3. 我们使用 ~MyClass() 语法显式调用 MyClass 对象的析构函数。
4. 最后，我们使用 free() 释放分配的内存。

示例 2

让我们再举一个例子来说明 placement new 运算符在 C++ 中的用法。

输出

Point constructor called. Coordinates: (3, 5)
Point constructor called. Coordinates: (7, 9)
Point destructor called. Coordinates: (3, 5)
Point destructor called. Coordinates: (7, 9)

说明

• 在此示例中，我们分配了一个足够容纳两个 Point 对象的缓冲区。此缓冲区可以容纳两个对象所需的内存。
• 接下来，我们使用 placement new 运算符在缓冲区中构造第一个 Point 对象。使用坐标 (3, 5) 显式调用了构造函数。
• 同样，我们使用 placement new 在缓冲区中构造第二个 Point 对象，该对象紧跟在第一个对象之后的内存地址开始。此对象具有坐标 (7, 9)。
• 使用完对象后，我们使用 ~Point() 语法显式调用它们的析构函数。
• 这种方法的优点是我们没有使用 new 进行数组动态内存分配，因此无需专门释放内存。

其他示例

1. 构造数组

我们还可以使用 placement new 运算符在预分配的缓冲区中构造对象数组。它允许我们在固定内存区域中创建多个对象。

编码

输出

Point constructor called. Coordinates: (0, 0)
Point constructor called. Coordinates: (2, 3)
Point constructor called. Coordinates: (4, 6)
Point destructor called. Coordinates: (0, 0)
Point destructor called. Coordinates: (2, 3)
Point destructor called. Coordinates: (4, 6)

说明

• 在此代码中，我们分配了一个足够容纳三个 Point 对象的缓冲区。
• 之后，我们使用 placement new 运算符在缓冲区中构造一个由三个 Point 对象组成的数组。这是通过在循环中调用 Point 构造函数并将每个对象放置在分配的缓冲区中来完成的。
• 使用完对象后，我们通过循环显式调用 Point 对象的析构函数。
• 此示例演示了 placement new 如何用于在连续内存缓冲区中有效地构造对象数组。

高级示例

1. 构造带有附加参数的对象

让我们演示使用 placement new 构造具有不同构造函数参数的 Point 对象数组。

编码

输出

Point constructor called. Coordinates: (1, 2, 3)
Point constructor called. Coordinates: (4, 5, 6)
Point constructor called. Coordinates: (7, 8, 9)
Point destructor called. Coordinates: (1, 2, 3)
Point destructor called. Coordinates: (4, 5, 6)
Point destructor called. Coordinates: (7, 8, 9)

实际应用

Placement new 运算符是 C++ 的一项特殊功能，它使程序员能够更好地选择对象在内存中的构造位置。此功能在不同领域有各种实际应用。

自定义内存管理

• 内存池：当内存分配过于复杂或需要减少内存碎片时，通常会使用内存池。New placement 意味着在预分配的内存池中创建现有对象。因此，内存利用率变得更有效。
• 嵌入式系统：内存通常是嵌入式系统中稀缺且受限的资源。Placement new 可用于在定义好的内存区域中实现对象，从而可以管理固定大小的内存部分。

性能关键型应用的性能优化

• 游戏开发：游戏引擎通常有有限的内存和性能，因此它们必须包含一些设计限制。通过使用 placement new 运算符，不仅可以分配和释放游戏对象的内存池，还可以高效地管理内存。
• 实时系统：实时应用（例如机器人和航空电子设备中的应用）由于其实时性，必须具有严格的内存限制和高性能。
• 人性化：它可以适应各种开发环境的内存管理。

数据结构和容器

• 自定义容器：placement new 运算符确保了唯一数据结构的构造。因此，在普通或特殊内存区域中操作容器。通过将元素放置在内存位置附近，或者反之，可以加快程序执行速度，因为元素在缓存内存中是并置的。
• 固定大小数组：构建者将能够通过 placement new 选择固定大小的数组，从而控制他们使用的空间，并且不需要动态分配方法的开销。

与硬件接口

• 内存映射 I/O：在硬件接口的情况下，placement new 运算符在根据地址分配的内存中创建对象，这有助于处理硬件寄存器和内存映射的其他组件。

结论

总之，placement new 运算符在 C++ 语言中赋予开发者指定对象构造地址的特权。因此，它在各种情况下都很重要，包括实现自定义内存分配器、微控制器中的资源限定内存以及内存映射设备。另一方面，应考虑 placement new 的智能性，因为不正确使用它可能会导致内存泄漏或未定义行为。

placement new 运算符是 C++ 中在具有受控初始化的特定内存位置创建对象的强大工具。在高级用法中，它可用于在预分配的缓冲区中构造具有不同参数的对象。虽然 placement new 运算符提供了对内存管理和对象构造的更大控制，但必须小心处理以防止内存泄漏和未定义行为。通过利用 placement new，开发人员可以编写高效且优化的代码，尤其是在性能关键或内存受限的环境中。