Effective C++ 2e Item7

条款7：预先准备好内存不够的情况

operator new在无法完成内存分配请求时会抛出异常(以前的做法一般是返回0，一些旧一点的编译器还这么做。你愿意的话也可以把你的编译器设置成这样。关于这个话题我将推迟到本条款的结尾处讨论)。大家都知道，处理内存不够所产生的异常真可以算得上是个道德上的行为，但实际做起来又会象刀架在脖子上那样痛苦。所以，你有时会不去管它，也许一直没去管它。但你心里一定还是深深地隐藏着一种罪恶感：万一new真的产生了异常怎么办？

你会很自然地想到处理这种情况的一种方法，即回到以前的老路上去，使用预处理。例如，C的一种常用的做法是，定义一个类型无关的宏来分配内存并检查分配是否成功。对于C++来说，这个宏看起来可能象这样：
    #define NEW(PTR, TYPE)                      
        try { (PTR) = new TYPE; }               
        catch (std::bad_alloc&) { assert(0); }
（“慢！std::bad_alloc是做什么的？”你会问。bad_alloc是operator new不能满足内存分配请求时抛出的异常类型，std是bad_alloc所在的名字空间(见条款28)的名称。“好！”你会继续问，“assert又有什么用？”如果你看看标准C头文件<assert.h>(或与它相等价的用到了名字空间的版本<cassert>，见条款49)，就会发现assert是个宏。这个宏检查传给它的表达式是否非零，如果不是非零值，就会发出一条出错信息并调用abort。assert只是在没定义标准宏NDEBUG的时候，即在调试状态下才这么做。在产品发布状态下，即定义了NDEBUG的时候，assert什么也不做，相当于一条空语句。所以你只能在调试时才能检查断言(assertion)）。

NEW宏不但有着上面所说的通病，即用assert去检查可能发生在已发布程序里的状态(然而任何时候都可能发生内存不够的情况)，同时，它还在C++里有另外一个缺陷：它没有考虑到new有各种各样的使用方式。例如，想创建类型T对象，一般有三种常见的语法形式，你必须对每种形式可能产生的异常都要进行处理：
    new T;

    new T(constructor arguments);

    new T[size];

这里对问题大大进行了简化，因为有人还会自定义(重载)operator new，所以程序里会包含任意个使用new的语法形式。

那么，怎么办？如果想用一个很简单的出错处理方法，可以这么做：当内存分配请求不能满足时，调用你预先指定的一个出错处理函数。这个方法基于一个常规，即当operator new不能满足请求时，会在抛出异常之前调用客户指定的一个出错处理函数――一般称为new-handler函数。(operator new实际工作起来要复杂一些，详见条款8)

指定出错处理函数时要用到set_new_handler函数，它在头文件<new>里大致是象下面这样定义的：
    typedef void (*new_handler)();
    new_handler set_new_handler(new_handler p) throw();

可以看到，new_handler是一个自定义的函数指针类型，它指向一个没有输入参数也没有返回值的函数。set_new_handler则是一个输入并返回new_handler类型的函数。

set_new_handler的输入参数是operator new分配内存失败时要调用的出错处理函数的指针，返回值是set_new_handler没调用之前就已经在起作用的旧的出错处理函数的指针。

可以象下面这样使用set_new_handler：
// function to call if operator new can't allocate enough memory
void noMoreMemory()
{
  cerr << "Unable to satisfy request for memory";
  abort();
}

int main()
{
  set_new_handler(noMoreMemory);

  int *pBigDataArray = new int[100000000];

  ...

}

假如operator new不能为100,000,000个整数分配空间，noMoreMemory将会被调用，程序发出一条出错信息后终止。这就比简单地让系统内核产生错误信息来结束程序要好。(顺便考虑一下，假如cerr在写错误信息的过程中要动态分配内存，那将会发生什么...)

operator new不能满足内存分配请求时，new-handler函数不只调用一次，而是不断重复，直至找到足够的内存。实现重复调用的代码在条款8里可以看到，这里我用描述性的的语言来说明：一个设计得好的new-handler函数必须实现下面功能中的一种。
    ?产生更多的可用内存。这将使operator new下一次分配内存的尝试有可能获得成功。实施这一策略的一个方法是：在程序启动时分配一个大的内存块，然后在第一次调用new-handler时释放。释放时伴随着一些对用户的警告信息，如内存数量太少，下次请求可能会失败，除非又有更多的可用空间。
    ?安装另一个不同的new-handler函数。如果当前的new-handler函数不能产生更多的可用内存，可能它会知道另一个new-handler函数可以提供更多的资源。这样的话，当前的new-handler可以安装另一个new-handler来取代它(通过调用set_new_handler)。下一次operator new调用new-handler时，会使用最近安装的那个。(这一策略的另一个变通办法是让new-handler可以改变它自己的运行行为，那么下次调用时，它将做不同的事。方法是使new-handler可以修改那些影响它自身行为的静态或全局数据。)
    ?卸除new-handler。也就是传递空指针给set_new_handler。没有安装new-handler，operator new分配内存不成功时就会抛出一个标准的std::bad_alloc类型的异常。
    ?抛出std::bad_alloc或从std::bad_alloc继承的其他类型的异常。这样的异常不会被operator new捕捉，所以它们会被送到最初进行内存请求的地方。(抛出别的不同类型的异常会违反operator new异常规范。规范中的缺省行为是调用abort，所以new-handler要抛出一个异常时，一定要确信它是从std::bad_alloc继承来的。想更多地了解异常规范，参见条款M14。)
    ?没有返回。典型做法是调用abort或exit。abort/exit可以在标准C库中找到(还有标准C++库，参见条款49)。

上面的选择给了你实现new-handler函数极大的灵活性。

处理内存分配失败的情况时采取什么方法，取决于要分配的对象的类：
class X {
public:
  static void outOfMemory();

  ...

};

class Y {
public:
  static void outOfMemory();

  ...

};

X* p1 = new X;      // 若分配成功，调用X::outOfMemory

Y* p2 = new Y;      // 若分配不成功，调用Y::outOfMemory

C++不支持专门针对于类的new-handler函数，而且也不需要。你可以自己来实现它，只要在每个类中提供自己版本的set_new_handler和operator new。类的set_new_handler可以为类指定new-handler(就象标准的set_new_handler指定全局new-handler一样)。类的operator new则保证为类的对象分配内存时用类的new-handler取代全局new-handler。

假设处理类X内存分配失败的情况。因为operator new对类型X的对象分配内存失败时，每次都必须调用出错处理函数，所以要在类里声明一个new_handler类型的静态成员。那么类X看起来会象这样：
    class X {
    public:
      static new_handler set_new_handler(new_handler p);
      static void * operator new(size_t size);

    private:
      static new_handler currentHandler;
    };

类的静态成员必须在类外定义。因为想借用静态对象的缺省初始化值0，所以定义X::currentHandler时没有去初始化。
new_handler X::currentHandler;      // 缺省设置currentHandler为0(即null)

类X中的set_new_handler函数会保存传给它的任何指针，并返回在调用它之前所保存的任何指针。这正是标准版本的set_new_handler所做的：
new_handler X::set_new_handler(new_handler p)
{
  new_handler oldHandler = currentHandler;
  currentHandler = p;
  return oldHandler;
}

最后看看X的operator new所做的：
1. 调用标准set_new_handler函数，输入参数为X的出错处理函数。这使得X的new-handler函数成为全局new-handler函数。注意下面的代码中，用了"::"符号显式地引用std空间(标准set_new_handler函数就存在于std空间)。

2. 调用全局operator new分配内存。如果第一次分配失败，全局operator new会调用X的new-handler，因为它刚刚(见1.)被安装成为全局new-handler。如果全局operator new最终未能分配到内存，它抛出std::bad_alloc异常，X的operator new会捕捉到它。X的operator new然后恢复最初被取代的全局new-handler函数，最后以抛出异常返回。

3. 假设全局operator new为类型X的对象分配内存成功，, X的operator new会再次调用标准set_new_handler来恢复最初的全局出错处理函数。最后返回分配成功的内存的指针。

C++是这么做的：
void * X::operator new(size_t size)
{
  new_handler globalHandler =                // 安装X的new_handler
    std::set_new_handler(currentHandler);   

  void *memory;

  try {                                      // 尝试分配内存
    memory = ::operator new(size);          
  }
  catch (std::bad_alloc&) {                  // 恢复旧的new_handler
    std::set_new_handler(globalHandler);     
    throw;                                   // 抛出异常
  }                                         

  std::set_new_handler(globalHandler);       // 恢复旧的new_handler
                                            
  return memory;
}

如果你对上面重复调用std::set_new_handler看不顺眼，可以参见条款M9来除去它们。

使用类X的内存分配处理功能时大致如下：
void noMoreMemory();                           // X的对象分配内存失败时调用的
                                               // new_handler函数的声明
                                               //

X::set_new_handler(noMoreMemory);
                                               // 把noMoreMemory设置为X的
                                               // new-handling函数

X *px1 = new X;                                // 如内存分配失败，
                                               // 调用noMoreMemory

string *ps = new string;                       // 如内存分配失败，
                                               // 调用全局new-handling函数
                                               //

X::set_new_handler(0);                         // 设X的new-handling函数为空
                                               //

X *px2 = new X;                                // 如内存分配失败，立即抛出异常
                                               // (类X没有new-handling函数)
                                               //

你会注意到，处理以上类似情况，如果不考虑类的话，实现代码是一样的，这就很自然地想到在别的地方也能重用它们。正如条款41所说明的，继承和模板可以用来设计可重用代码。在这里，我们把两种方法结合起来使用，从而满足了你的要求。

你只要创建一个“混合风格”(mixin-style)的基类，这种基类允许子类继承它某一特定的功能――这里指的是建立一个类的new-handler的功能。之所以设计一个基类，是为了让所有的子类可以继承set_new_handler和operator new功能，而设计模板是为了使每个子类有不同的currentHandler数据成员。这听起来很复杂，不过你会看到代码其实很熟悉。区别只不过是它现在可以被任何类重用了。
template<class T>    // 提供类set_new_handler支持的
class NewHandlerSupport {   // “混合风格”的基类
public:      

  static new_handler set_new_handler(new_handler p);
  static void * operator new(size_t size);

private:
  static new_handler currentHandler;
};

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

template<class T>
void * NewHandlerSupport<T>::operator new(size_t size)
{
  new_handler globalHandler =
    std::set_new_handler(currentHandler);

  void *memory;

  try {
    memory = ::operator new(size);
  }
  catch (std::bad_alloc&) {
    std::set_new_handler(globalHandler);
    throw;
  }

  std::set_new_handler(globalHandler);

  return memory;
}

// this sets each currentHandler to 0
template<class T>
new_handler NewHandlerSupport<T>::currentHandler;

有了这个模板类，对类X加上set_new_handler功能就很简单了：只要让X从newHandlerSupport<X>继承：
// note inheritance from mixin base class template. (See
// my article on counting objects for information on why
// private inheritance might be preferable here.)
class X: public NewHandlerSupport<X> {

  ...                 // as before, but no declarations for
};                    // set_new_handler or operator new

使用X的时候依然不用理会它幕后在做些什么；老代码依然工作。这很好！那些你常不去理会的东西往往是最可信赖的。

使用set_new_handler是处理内存不够情况下一种方便，简单的方法。这比把每个new都包装在try模块里当然好多了。而且，NewHandlerSupport这样的模板使得向任何类增加一个特定的new-handler变得更简单。“混合风格”的继承不可避免地将话题引入到多继承上去，在转到这个话题前，你一定要先阅读条款43。

1993年前，C++一直要求在内存分配失败时operator new要返回0，现在则是要求operator new抛出std::bad_alloc异常。很多C++程序是在编译器开始支持新规范前写的。C++标准委员会不想放弃那些已有的遵循返回0规范的代码，所以他们提供了另外形式的operator new(以及operator new[]――见条款8)以继续提供返回0功能。这些形式被称为“无抛出”，因为他们没用过一个throw，而是在使用new的入口点采用了nothrow对象：
class Widget { ... };

Widget *pw1 = new Widget;      // 分配失败抛出std::bad_alloc if

if (pw1 == 0) ...              // 这个检查一定失败
Widget *pw2 =
  new (nothrow) Widget;        // 若分配失败返回0

if (pw2 == 0) ...              // 这个检查可能会成功

不管是用“正规”(即抛出异常)形式的new还是“无抛出”形式的new，重要的是你必须为内存分配失败做好准备。最简单的方法是使用set_new_handler，因为它对两种形式都有用。