C++ placement new 指定地址对象构造-C++-PHP中文网

placement new本质是分离内存分配与对象构造，仅在指定地址构造对象而不分配内存，需手动调用析构函数并管理内存生命周期，适用于自定义内存池、共享内存、硬件交互等需精细控制内存的场景。

c++ placement new 指定地址对象构造

C++ 中的

placement new

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允许你在一个已经分配好的内存地址上构造对象，而不是像普通

new

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那样先分配内存再构造。这本质上是将内存管理与对象构造这两个步骤分离开来，赋予开发者对内存布局更精细的控制权。

解决方案

placement new

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的语法很简单，通常是

new (address) Type(arguments);

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。这里的

address

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是一个

void*

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指针，指向你预先准备好的内存块。

我个人觉得，理解

placement new

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的关键在于它只负责“构造”，不负责“分配”。也就是说，那块内存是你自己想办法搞定的。你可以用

malloc

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、或者直接用一个足够大的字节数组来获取这块内存。

一个典型的使用场景是这样的：

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#include <iostream>
#include <string>
#include <new> // 包含 placement new 的头文件

class MyClass {
public:
    int value;
    std::string name;

    MyClass(int v, const std::string& n) : value(v), name(n) {
        std::cout << "MyClass constructor called for: " << name << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destructor called for: " << name << std::endl;
    }

    void print() const {
        std::cout << "Value: " << value << ", Name: " << name << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 1. 准备一块足够大的内存
    // 注意：这里需要确保内存对齐，sizeof(MyClass) 只是最小需求
    // 通常会用 std::aligned_storage_t 或 char 数组配合 alignas
    // 为了简化示例，这里先用 char 数组，实际项目中需更严谨处理对齐
    char buffer[sizeof(MyClass)]; 
    void* raw_memory = static_cast<void*>(buffer);

    // 2. 在这块内存上构造对象
    // 注意：这里没有调用 operator new 分配内存，只是在指定地址构造
    MyClass* obj1 = new (raw_memory) MyClass(10, "FirstObject");
    obj1->print();

    // 3. 使用对象...

    // 4. 手动调用析构函数
    // 记住：placement new 不会为你管理对象的生命周期，析构函数必须手动调用
    obj1->~MyClass(); 

    // 5. 释放内存（如果内存是通过 malloc 等动态分配的，这里需要 free）
    // 由于这里用的是栈上的 char 数组，无需手动 free
    // 如果是 malloc 分配的：free(raw_memory);

    std::cout << "------------------" << std::endl;

    // 另一个例子：在堆上分配内存，然后使用 placement new
    // 假设我们有一个自定义的内存池，它返回一个指针
    void* heap_memory = std::malloc(sizeof(MyClass));
    if (!heap_memory) {
        std::cerr << "Memory allocation failed!" << std::endl;
        return 1;
    }

    MyClass* obj2 = new (heap_memory) MyClass(20, "SecondObject");
    obj2->print();

    obj2->~MyClass(); // 手动调用析构函数
    std::free(heap_memory); // 释放通过 malloc 分配的内存

    return 0;
}

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C++ placement new 与标准 new 操作符有何本质不同，以及其应用场景？

placement new

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和我们平时用的

new

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关键字，表面上都用于创建对象，但骨子里完全不是一回事。标准

new

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操作符（比如

MyClass* p = new MyClass();

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）是一个复合操作：它首先调用全局的

operator new

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函数来分配一块内存，然后在这块内存上调用对象的构造函数来初始化对象。而

placement new

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则跳过了内存分配这一步，它假定你已经有了一块可用的内存，它的唯一职责就是在你指定的这块内存上执行对象的构造函数。

我个人觉得，这种分离带来的好处是显而易见的，尤其是在一些对性能和内存控制有极致要求的场景。

它的主要应用场景包括：

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自定义内存池/分配器 (Custom Memory Pools/Allocators)： 这是最经典的用法。当你需要频繁创建和销毁大量小对象时，每次都走全局的
```
new/delete
```
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可能会带来较大的开销（比如系统调用、锁竞争、碎片化）。通过预先分配一大块内存作为内存池，然后用
```
placement new
```
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在池中按需构造对象，可以显著提高性能，减少内存碎片。
内存映射文件 (Memory-Mapped Files) 或共享内存 (Shared Memory)： 在这些场景下，你通常会获得一块由操作系统提供的特定地址空间的内存。你不能简单地
```
new
```
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一个对象，因为那会从堆上分配新的内存。这时，
```
placement new
```
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就能让你直接在这块映射好的内存上构建 C++ 对象，实现零拷贝的数据访问。
硬件交互/嵌入式系统 (Hardware Interaction/Embedded Systems)： 有时你需要将一个 C++ 对象“放置”到特定的物理地址，比如某个寄存器或特定的内存区域，以便直接与硬件交互。
```
placement new
```
登录后复制
是实现这一目标的直接手段。
避免堆碎片 (Avoiding Heap Fragmentation)： 在一些长时间运行的服务器程序中，频繁的内存分配和释放可能导致堆碎片化，从而降低性能甚至导致 OOM。通过使用
```
placement new
```
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结合自定义的内存管理策略，可以更好地控制内存布局，减少碎片。
反序列化 (Deserialization)： 当你需要将序列化后的数据（比如从网络接收到的字节流）直接解析成 C++ 对象时，可以预先分配好缓冲区，然后用
```
placement new
```
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在缓冲区内直接构造对象，避免了数据拷贝。

使用 C++ placement new 时，如何妥善管理内存和对象生命周期，避免常见错误？

说实话，

placement new

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强大归强大，但用起来确实有点门道，一不小心就容易踩坑。因为它把内存管理和对象生命周期管理的大部分责任都推给了开发者。

几个关键点，我每次用的时候都会提醒自己：

手动调用析构函数： 这是最容易被忽略但又最关键的一点。通过
```
placement new
```
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构造的对象，其析构函数不会被
```
delete
```
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自动调用（因为你没有用
```
delete
```
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去销毁它）。你必须显式地调用对象的析构函数，例如
```
obj_ptr->~MyClass();
```
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。如果忘了这一步，那么对象内部持有的资源（比如
```
std::string
```
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内部的堆内存）就可能泄漏。
内存的释放： 析构函数调用完毕后，你还需要释放最初为对象分配的原始内存块。如果这块内存是通过
```
malloc
```
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分配的，那就用
```
free
```
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；如果是
```
new char[N]
```
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分配的，那就要用
```
delete[]
```
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。千万别混淆，更不能对
```
placement new
```
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出来的对象直接调用
```
delete
```
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，那会导致未定义行为，因为
```
delete
```
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会尝试调用析构函数，然后释放内存，但它不知道这块内存不是它分配的。
内存对齐 (Alignment)： C++ 对象对内存地址有特定的对齐要求。如果你提供的内存地址没有正确对齐，那么在上面构造对象可能会导致未定义行为，甚至程序崩溃。
```
sizeof(Type)
```
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只是对象所需的最小空间，实际分配时，你需要考虑
```
alignof(Type)
```
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。C++11 引入了
```
alignas
```
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关键字，C++17 提供了
```
std::aligned_storage_t
```
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（C++23 中已废弃，推荐直接使用
```
alignas
```
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配合
```
std::byte
```
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数组），这些都能帮助你获得正确对齐的内存。比如：
```
alignas(MyClass) char buffer[sizeof(MyClass)];
```
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这样更稳妥。
异常安全 (Exception Safety)： 如果对象构造函数在
```
placement new
```
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过程中抛出异常，那么对象可能没有完全构造成功，但你提供的原始内存块依然被占用着。在这种情况下，你可能需要捕获异常，并确保原始内存块被正确释放，避免内存泄漏。
内存生命周期： 你提供的内存块必须在对象的整个生命周期内都保持有效。如果内存块提前被释放或被其他数据覆盖，那么对象就会变成一个“悬空”的对象，访问它将是危险的。

现代 C++ 中，placement new 的替代方案和在特定场景下的不可替代性分析。

现代 C++ 确实提供了不少工具，让内存管理和对象生命周期控制变得更安全、更自动化，有时候会让人觉得

placement new

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是不是有点“老派”了。但实际上，它在某些特定领域依然是不可或缺的。

替代方案（或更高层封装）：

智能指针与自定义删除器 (Smart Pointers with Custom Deleters)： 比如
```
std::unique_ptr
```
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或
```
std::shared_ptr
```
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，你可以为其提供一个自定义的删除器，来替代默认的
```
delete
```
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操作。这在管理非堆内存资源时非常有用，例如
```
std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)> file_ptr(fopen("test.txt", "r"), &fclose);
```
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。但这主要解决的是资源管理，而不是在特定地址构造对象。
std::allocator
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和自定义分配器： C++ 标准库提供了
```
std::allocator
```
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接口，允许你实现自己的内存分配策略。实际上，许多自定义分配器内部就是通过
```
placement new
```
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来构造对象的。例如，
```
std::vector
```
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使用其
```
Allocator
```
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的
```
construct
```
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和
```
destroy
```
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方法，这些方法通常会调用
```
placement new
```
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和显式析构。
C++17
std::pmr::polymorphic_allocator
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：这是一个非常强大的特性，它允许你将内存资源（
```
std::pmr::memory_resource
```
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）作为运行时参数传递给容器或对象，从而实现更灵活的内存管理。
```
polymorphic_allocator
```
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在内部也会使用
```
placement new
```
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来在从其关联的
```
memory_resource
```
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获取的内存上构造对象。
std::byte
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数组配合
std::launder
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(C++17)：对于简单地在原始字节数组上“重新解释”对象，
```
std::byte
```
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数组加上
```
std::launder
```
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可以帮助编译器更好地理解内存布局，尤其是在涉及指针转换和优化时。但这更多是关于类型安全和编译器提示，而不是替代
```
placement new
```
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的构造行为。

不可替代的场景：

尽管有这些现代工具，

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在一些非常具体的场景下，仍然是唯一的，或者说最高效、最直接的解决方案：

与硬件的直接交互： 比如在嵌入式系统中，你可能需要将一个结构体对象直接映射到某个内存地址，这个地址可能对应着某个外设的寄存器组。这时，你无法用
```
new
```
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去分配，只能用
```
placement new
```
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在这个固定地址上“实例化”你的对象。
严格的内存池实现： 当你需要实现一个极致优化、无锁、无碎片、且对对象生命周期有绝对控制权的内存池时，
```
placement new
```
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是核心构建块。因为你需要完全绕过系统堆分配器，手动管理每一个字节。
零拷贝反序列化/内存映射对象： 假设你从网络接收到一个巨大的数据包，或者映射了一个巨大的文件到内存中，这个数据包/文件内部已经按照某种结构排布好了。你希望直接把这些原始字节“看作”是你的 C++ 对象，而不是把数据拷贝到新分配的对象中。
```
placement new
```
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允许你直接在这些现有内存上构造对象，避免了昂贵的数据拷贝操作，这在高性能网络编程或大数据处理中至关重要。
某些特定优化： 有些时候，为了避免
```
std::vector
```
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内部的重分配或减少
```
std::map
```
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的节点分配开销，开发者会选择预先分配一大块内存，然后用
```
placement new
```
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在其中构建元素，实现一种更定制化的容器。