Эффективное использование C++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ

Майерс Скотт

class Widget {...};

Widget *pw1 = new Widget; // возбуждает bad_alloc, если

// выделить память не удалось

if(pw1 == 0) ... // эта проверка должна

// завершиться неудачно

Widget *pw2 = new (std::nothrow)Widget; // возвращает 0, если выделить

// память не удалось

if(pw2 == 0) ... // эта проверка может

// завершиться успешно

Не возбуждающий исключений

оператор new предоставляет менее надежные гарантии относительно исключений, чем кажется на первый взгляд. В выражении «new (std::nothrow)Widget» происходят две вещи. Во-первых, nothrow-версия оператора new вызывается для выделения памяти, достаточной для размещения объекта Widget. Если получить память не удалось, то оператор new возвращает нулевой указатель, как нам и хотелось. Если же память выделить удалось, то вызывается конструктор Widget, и в этой точке все гарантии заканчиваются. Конструктор Widget может делать все, что угодно. Он может сам по себе запросить с помощью new какую-то память, и если он это делает, никто не заставляет его использовать nothrow. Хотя вызов оператора new в «new (std::nothrow)Widget» не возбуждает исключений, к конструктору Widget это не относится. И если он возбудит исключение, то оно будет распространяться как обычно. Вывод? Применение nothrow new гарантирует только то, что данный operator new не возбудит исключений, но не дает никаких гарантий относительно выражения, подобного «new (std::nothrow)Widget». А потому вряд ли стоит вообще прибегать к nothrow new.

Независимо от того, используете вы «нормальный» (возбуждающий исключения) new или же вариант nothrow, важно, чтобы вы понимали поведение обработчика new, поскольку он вызывается обеими формами.

Что следует помнить

• set_new_handler позволяет указать функцию, которая должна быть вызвана, если запрос на выделение памяти не может быть удовлетворен.

• Полезность nothrow new ограничена, поскольку эта форма применимо только для выделения памяти; последующие вызовы конструктора могут по-прежнему возбуждать исключения.

Правило 50: Когда имеет смысл заменять new и delete

Вернемся к основам. Прежде всего зачем кому-то может понадобиться подменять предлагаемые компилятором версии operator new и operator delete? Существуют, по крайней мере, три распространенные причины.

• Чтобы обнаруживать ошибки применения. Если не освобождать (с помощью оператора delete) память, выделенную оператором new, это приведет к утечкам памяти. Вызов delete более одного раза для одного и того же участка памяти, выделенного new, приведет к неопределенному поведению программы. Если оператор new будет вести список выделенных адресов, а оператор delete удалять адреса освобожденных областей из списка, то такие ошибки легко обнаружить. Аналогично различные ошибки в программе могут приводить к записи за концом выделенного блока (переполнению буфера) либо с адреса, предшествующего началу выделенного блока. Специализированная версия оператора new может запрашивать блоки большего размера и в неиспользуемое место до и после области, доступной пользователям, записывать некоторую комбинацию битов («сигнатуры»). При этом оператор delete может проверять наличие такой сигнатуры. Если ее нет, значит, память была затерта, и оператор delete может запротоколировать этот факт вместе со значением указателя, для которого это обнаружилось.

• Чтобы повысить эффективность. Версии операторов new и delete, поставляемые вместе с компилятором, универсальны. Они должны быть приемлемы как для долго работающих программ (например, Web-серверов), так и для программ, работающих менее одной секунды. Они должны уметь обрабатывать серии запросов на выделение больших блоков памяти, малых блоков, а также смеси тех и других. Они должны адаптироваться к широкому диапазону вариантов использования – от динамического выделения нескольких блоков большого размера, которые существуют на протяжении всего времени работы программы, до выделения и освобождения памяти для большого количества мелких объектов с малым временем жизни. Они должны предотвращать фрагментацию «кучи», ибо если этого не делать, то в конце концов будет невозможно удовлетворить запрос на выделение большого блока памяти, даже если суммарно такой объем имеется, но разнесен по множеству мелких участков.

Учитывая все требования, предъявляемые к менеджерам памяти, неудивительно, что поставляемые с компиляторами операторы new и delete придерживаются усредненной стратегии. Они работают достаточно хорошо для всех, но оптимально – ни для кого. Если вы хорошо представляете, как динамическая память используется в вашей программе, вы сможете написать собственные версии операторов new и delete, превосходящие по эффективности стандартные. Под «превосходством» я подразумеваю, что они работают быстрее (иногда на много порядков) и требуют меньше памяти (до 50 %). Для некоторых, но отнюдь не для всех, приложений замена поставляемых new и delete собственными версиями – простой способ ощутимого повышения производительности.

• Чтобы собирать статистику использования. Прежде чем перейти к написанию собственных new и delete, благоразумно собрать информацию о том, как ваша программа использует динамическую память. Как распределены выделяемые блоки по размерам? Как распределяется их время жизни? Порядок выделения и освобождения в основном следует принципу FIFO («первым вошел – первым вышел») или же LIFO («последним вошел – первым вышел»)? Или никакой закономерности не наблюдается? Изменяется ли характер использования памяти со временем, то есть существует ли разница в порядке выделения-освобождения памяти между разными стадиями исполнения? Какой максимальный объем динамически выделенной памяти используется в каждый момент времени?

По существу, написание пользовательских версий new и delete – довольно простая задача. Например, рассмотрим вкратце, как можно реализовать глобальный оператор new с контролем записи за границами выделенного блока. Правда, в нем есть множество дефектов, но пока не будем обращать на них внимания.

static const int signature = 0xDEADBEEF;

typedef unsigned char Byte;

// в этом коде есть несколько дефектов – см. ниже

void *operator new(std:size_t size) throw(std::bad_alloc)

{

using namespace std;

size_t realSize=size+2*sizeof(int); // увеличить размер запрошенного

// блока, чтобы можно было разместить

// сигнатуры

void *pMem = malloc(realSize); // вызвать malloc для получения памяти

if(!pMem) throw(bad_alloc);

// записать сигнатуру в первое и последнее слово выделенного блока

*(static_cast<int>pMem)) = signature;

*(reinterpret_cast<int*>(static_cast<Byte*>(pMem)+realSize-sizeof(int))) =

signature;

// вернуть указатель на память сразу за начальной сигнатурой

return static_cast<Byte*>(pMem)+sizeof(int);

}

Большинство недостатков этой версии оператора new связаны с тем, что он не вполне соответствует соглашениям C++ относительно функций с таким именем. Например, в правиле 51 объясняется, что все операторы new должны включать цикл вызова функции-обработчика new, чего этот вариант не делает. Этому соглашению посвящено правило 51, поэтому сейчас я хочу сосредоточиться на более тонком моменте: выравнивании.