面试题：C++中new和delete的重载及内存分配策略

Question

在C++中，如何重载new和delete操作符？请详细说明重载的步骤和注意事项。另外，谈谈不同的内存分配策略（如堆分配、栈分配、内存池等）与new和delete操作符的关系，以及在实际项目中如何根据需求选择合适的内存分配策略。

Answer 1

重载new和delete操作符步骤

1. 重载全局new和delete操作符
   • 重载new操作符：

void* operator new(size_t size) {
    void* ptr = std::malloc(size);
    if (!ptr) {
        throw std::bad_alloc();
    }
    return ptr;
}

- **重载delete操作符**：

void operator delete(void* ptr) noexcept {
    std::free(ptr);
}

2. 重载类专属的new和delete操作符
   • 重载类专属new操作符：

class MyClass {
public:
    void* operator new(size_t size) {
        void* ptr = std::malloc(size);
        if (!ptr) {
            throw std::bad_alloc();
        }
        return ptr;
    }
};

- **重载类专属delete操作符**：

class MyClass {
public:
    void operator delete(void* ptr) noexcept {
        std::free(ptr);
    }
};

注意事项

1. 参数要求：new操作符的第一个参数必须是size_t类型，表示要分配的内存大小。delete操作符的第一个参数必须是void*类型，表示要释放的内存指针。
2. 异常处理：全局new操作符在分配内存失败时应抛出std::bad_alloc异常。delete操作符不应抛出异常，通常应声明为noexcept。
3. 匹配规则：类专属的new和delete操作符优先于全局的new和delete操作符被调用，所以要确保类专属的实现符合需求。

不同内存分配策略与new和delete操作符的关系

1. 堆分配：new和delete操作符默认进行堆分配。new操作符从堆中分配内存，delete操作符将堆内存释放回堆。堆分配灵活，但频繁分配释放可能导致内存碎片。
2. 栈分配：栈分配由编译器自动管理，使用局部变量实现，不涉及new和delete操作符。栈分配速度快，但内存大小受限于栈空间，且局部变量生命周期结束时内存自动释放。
3. 内存池：内存池是一种预先分配一定大小内存块的技术。new操作符可从内存池中获取内存，delete操作符将内存归还内存池。这减少了系统调用开销，避免内存碎片，但实现复杂，需要考虑内存池大小、内存块管理等。

实际项目中选择合适内存分配策略

1. 频繁小对象分配：使用内存池，减少堆分配次数，提高性能并避免碎片。如游戏开发中大量小对象（如粒子系统）的管理。
2. 大对象分配：若大对象生命周期长，可直接堆分配。若生命周期短且函数内使用，可考虑栈分配，但需注意栈空间限制。
3. 简单场景：对性能要求不高且对象数量不多，默认堆分配（new和delete默认行为）简单直接，易于实现和维护。