将 operator new(sizeof(T) * N) 返回的内存视为数组

Question

在 C 语言中，可以使用malloc(sizeof(T) * N) 分配动态数组，然后使用指针算法获取此动态数组中 i 偏移处的元素。

在 C++ 中，可以使用 operator new() 以与 malloc() 相同的方式执行类似操作，然后放置新的（例如，可以在“异常 C++：47 个工程难题、编程问题、和解决方案”由 Herb Sutter 撰写）。如果您没有，则此问题的解决方案摘要为：

T* storage = operator new(sizeof(T)*size);

// insert element    
T* p = storage + i;
new (p) T(element);

// get element
T* element = storage[i];

对我来说，这看起来是合法的，因为我要求一块具有足够内存的内存来容纳大小 = sizeof(T) 的 N 个对齐元素。由于sizeof(T) 应该返回一个对齐的元素的大小，并且它们一个接一个地放置在一块内存中，所以在这里使用指针算法是可以的。

然后我被指向如下链接：http://eel.is/c++draft/expr.add#4 或 http://eel.is/c++draft/intro.object#def:object 并声称在 C++ 中 operator new() 不返回数组对象，因此指针算术返回的内容并将其用作数组是未定义的与 ANSI C 不同的行为。

我不擅长这么低级的东西，我真的很想通过阅读以下内容来理解：https://www.ibm.com/developerworks/library/pa-dalign/ 或以下内容：http://jrruethe.github.io/blog/2015/08/23/placement-new/ 但我仍然无法理解 Sutter 是否完全错了？

我明白alignas 在以下结构中是有意义的：

alignas(double) char array[sizeof(double)];

(c)http://georgeflanagin.com/alignas.php

如果数组似乎不在double 的边界内（可能在char 之后的结构中运行在2 字节读取处理器上）。

但这是不同的——我已经从堆/空闲存储中请求了内存，特别是请求 operator new 返回内存，该内存将保持与sizeof(T)对齐的元素。

总结一下，如果这是 TL;DR：

• 是否可以将malloc() 用于 C++ 中的动态数组？
• 是否可以在没有 alignas 关键字的旧 C++ 中对动态数组使用 operator new() 和放置 new？
• 在operator new()返回的内存上使用指针算术是否未定义行为？
• Sutter 是否建议在某些古董机器上可能会破坏的代码？

对不起，如果这是愚蠢的。

Answer 1

分配内存的指针运算问题，如您的示例：

T* storage = static_cast<T*>(operator new(sizeof(T)*size));
// ...
T* p = storage + i;  // precondition: 0 <= i < size
new (p) T(element);

技术上未定义的行为早已为人所知。这意味着std::vector 不能纯粹作为一个库以定义明确的行为来实现，而是需要在标准中找到的实现之外的额外保证。

让std::vector 无法实现绝对不是标准委员会的意图。当然，Sutter 是正确的，这样的代码旨在定义良好。标准的措辞需要反映这一点。

P0593 是一个提案，如果被接受为标准，可能能够解决这个问题。同时，继续编写上述代码是可以的；没有主要编译器会将其视为 UB。

编辑： 正如 cmets 中所指出的，我应该指出，当我说 storage + i 将在 P0593 下得到良好定义时，我假设元素 storage[0]、@987654327 @, ..., storage[i-1] 已经构建好了。虽然我不确定我对 P0593 的理解是否足够好，无法得出结论，它也不会涵盖那些元素尚未已经被构造的情况。

Answer 2

C++ 标准包含一个开放的issue，即对象的底层表示不是“数组”而是unsigned char 对象的“序列”。尽管如此，每个人都将它视为一个数组（这是有意的），因此编写如下代码是安全的：

char* storage = static_cast<char*>(operator new(sizeof(T)*size));
// ...
char* p = storage + sizeof(T)*i;  // precondition: 0 <= i < size
new (p) T(element);

只要void* operator new(size_t) 返回正确对齐的值。使用sizeof-multiplied 偏移量来保持对齐是safe。

在 C++17 中，有一个宏 STDCPP_DEFAULT_NEW_ALIGNMENT，它指定了“正常”void* operator new(size_t) 的最大安全对齐，如果需要更大的对齐，则应使用 void* operator new(std::size_t size, std::align_val_t alignment)。

在早期的 C++ 版本中，没有这种区别，这意味着 void* operator new(size_t) 需要以与任何对象的对齐方式兼容的方式实现。

至于能够直接在T* 上进行指针运算，我不确定它需要是标准要求的。但是，很难以无法正常工作的方式实现 C++ 内存模型。

Answer 3

对于所有最近广泛使用的 posix 兼容系统，即 Windows、Linux（和 Android ofc。）和 MacOSX，以下适用

是否可以在 C++ 中将 malloc() 用于动态数组？

是的。使用reinterpret_cast 将生成的void* 转换为所需的指针类型是最佳实践，它会产生如下动态分配的数组：type *array = reinterpret_cast<type*>(malloc(sizeof(type)*array_size); 请注意，在这种情况下，不会对数组元素调用构造函数，因此无论type 是什么，它仍然是一个未初始化的存储。当free 用于释放时也不会调用析构函数

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是否可以在没有 alignas 关键字的旧 C++ 中对动态数组使用 operator new() 和放置 new？

是的，但如果您使用自定义位置（即不是来自 malloc/new 的位置）提供新位置，则需要注意对齐。普通运算符 new 和 malloc 将提供本机字对齐的内存区域（至少在分配大小 >= 字大小时）。这一事实以及结构布局和大小已确定以便正确考虑对齐的事实，如果使用 malloc 或 new，您无需担心 dyn 数组的对齐。 人们可能会注意到，字长有时明显小于最大的内置数据类型（通常是 long double），但它必须以相同的方式对齐，因为对齐与数据大小无关，而是不同访问大小的内存总线上地址的位宽。

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在运算符 new() 返回的内存上使用指针算术是否未定义行为？

不，只要你尊重进程的内存边界——从这个角度来看，new 基本上与malloc 工作方式相同，此外，new 实际上在绝大多数实现中调用 malloc为了获得所需的区域。 事实上，指针算术本身永远不会无效。但是，计算结果为指针的算术表达式的结果可能指向允许区域之外的位置，但这不是指针算术的错误，而是有缺陷的表达式。

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Sutter 是否建议在某些古董机器上可能会破坏的代码？

我不这么认为，前提是使用了正确的编译器。 （不要将 avr 指令或 128 位宽的内存 mov 编译成打算在 80386 上运行的二进制文件） 当然，在具有不同内存大小和布局的不同机器上，相同的文字地址可能会访问不同用途/状态/存在的区域，但是除非您将驱动程序代码写入特定硬件，否则为什么要使用文字地址？... :)

Answer 4

您可以使用“老式”malloc 来做到这一点，它为您提供了一块内存，可以满足相应平台上最严格的对齐方式（例如 long long double 的对齐方式）。因此，您可以将任何对象放入这样的缓冲区中，而不会违反任何对齐要求。

鉴于此，您可以基于这样的内存块为您的类型的数组使用placement new：

struct MyType {
    MyType() {
        cout << "in constructor of MyType" << endl;
    }
    ~MyType() {
        cout << "in destructor of MyType" << endl;
    }
    int x;
    int y;
};

int main() {

    char* buffer = (char*)malloc(sizeof(MyType)*3);
    MyType *mt = new (buffer)MyType[3];

    for (int i=0; i<3; i++)  {
        mt[i].~MyType();
    }
    free(mt);
}

请注意 - 与放置 new 一样 - 您必须注意显式调用析构函数并在不同的步骤中释放内存；您不能使用delete 或delete[] 函数，它们将这两个步骤结合起来，从而释放它们不拥有的内存。