c++ - 用空实现覆盖删除运算符

Question

在对象上使用 delete 运算符通常会导致两件事:调用对象的析构函数(及其虚拟基析构函数，如果存在)并随后释放内存。

如果重写一个类的 delete 操作符，给它一个空的实现 {}，析构函数仍会被调用，但内存不会被释放。

假设析构函数也是空的，那么 delete 是否会有任何影响，或者继续使用“已删除”对象是否安全(即是否存在未定义的行为)？

struct Foo {
    static void operator delete(void* ptr) {}
    Foo() {}
    ~Foo() {}
    void doSomething() { ... }
}

int main() {
    Foo* foo = new Foo();
    delete foo;
    foo->doSomething(); // safe?
}

并不是说这很有意义，但我正在研究一种“延迟删除”(gc)机制，当调用 delete 时，对象不会立即被删除，但很快之后。

更新

引用一些提到内存泄漏的答案:让我们假设重载的 delete 运算符不为空，但确实将其 ptr 参数存储在一个(假设 static，为简单起见)set:

struct Foo {
    static std::unordered_set<void*> deletedFoos;
    static void operator delete(void* ptr) {
        deletedFoos.insert(ptr);
    }
    Foo() {}
    ~Foo() {}
}

并且这个 set 会定期清理:

for (void* ptr : Foo::deletedFoos) {
    ::operator delete(ptr);
}
Foo::deletedFoos.clear();

Answer 1

来自 n4296:

A destructor is invoked implicitly

(11.1) — for a constructed object with static storage duration (3.7.1) at program termination (3.6.3),

(11.2) — for a constructed object with thread storage duration (3.7.2) at thread exit,

(11.3) — for a constructed object with automatic storage duration (3.7.3) when the block in which an object is created exits (6.7),

(11.4) — for a constructed temporary object when its lifetime ends (12.2).

In each case, the context of the invocation is the context of the construction of the object. A destructor is also invoked implicitly through use of a delete-expression (5.3.5) for a constructed object allocated by a new-expression (5.3.4); the context of the invocation is the delete-expression. [ Note: An array of class type contains several subobjects for each of which the destructor is invoked. —end note ] A destructor can also be invoked explicitly.

因此，调用 delete 运算符的 delete 表达式的使用，也隐式调用了析构函数。对象的生命结束了，如果您为该对象调用方法，则会发生未定义的行为。

#include <iostream>

struct Foo {
    static void operator delete(void* ptr) {}
    Foo() {}
    ~Foo() { std::cout << "Destructor called\n"; }
    void doSomething() { std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << " called\n"; }
};

int main() {
    Foo* foo = new Foo();
    delete foo;
    foo->doSomething(); 
   // safe? No, an UB. Object's life is ended by delete expression.
}

输出:

Destructor called
void Foo::doSomething() called

使用:gcc HEAD 8.0.0 20170809 with -O2

问题首先假设重新定义删除运算符和对象的行为将省略对象的破坏。重新定义对象本身的析构函数不会重新定义其字段的析构函数。事实上，从语义的角度来看，它不再存在了。它不会释放内存，如果对象存储在内存池中，这可能是一件事情。但可以这么说，它会删除对象的抽象“灵魂”。之后调用方法或访问对象的字段是UB。在特定情况下，根据操作系统，该内存可能永远保持分配状态。这是一种不安全的行为。假设编译器会生成合理的代码也是不安全的。它可能会完全省略操作。

让我向对象添加一些数据:

struct Foo {
    int a;
    static void operator delete(void* ptr) {}
    Foo(): a(5) {}
    ~Foo() { std::cout << "Destructor called\n"; }
    void doSomething() { std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << "a = " << a << " called\n"; }
};

int main() {
    Foo* foo = new Foo();
    delete foo;
    foo->doSomething(); // safe?
}

输出:

Destructor called
void Foo::doSomething() a= 566406056 called

嗯？我们没有初始化内存？让我们在销毁之前添加相同的调用。

int main() {
    Foo* foo = new Foo();
    foo->doSomething(); // safe!
    delete foo;
    foo->doSomething(); // safe?
}

在这里输出:

void Foo::doSomething() a= 5 called
Destructor called
void Foo::doSomething() a= 5 called

什么？当然，编译器只是在第一种情况下省略了 a 的初始化。可能是因为类没有做任何其他事情吗？在这种情况下是可能的。但是这个:

struct Foo {
    int a, b;
    static void operator delete(void* ptr) {}
    Foo(): a(5), b(10) {}
    ~Foo() { std::cout << "Destructor called\n"; }
    void doSomething() { std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << " a= " << a << " called\n"; }
};

int main() {
    Foo* foo = new Foo();
    std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << " b= " << foo->b << "\n"; 
    delete foo;
    foo->doSomething(); // safe?
}

会产生类似的未定义值:

int main() b= 10
Destructor called
void Foo::doSomething() a= 2017741736 called

编译器认为 a 字段在 foo 死亡时未使用，因此“死亡”而不影响进一步的代码。 foo 与所有“手”一起倒下，并且它们中的任何一个都不再正式存在。更不用说在 Windows 上，使用 MS 编译器，当 Foo::doSomething() 尝试恢复死成员时，这些程序可能会崩溃。 Placement new 可以让我们扮演 Dr.Frankenstein 的角色:

    #include <iostream>
#include <new>
struct Foo {
    int a;
    static void operator delete(void* ptr) {}
    Foo()              {std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << " a= " << a << " called\n"; }
    Foo(int _a): a(_a) {std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << " a= " << a << " called\n"; }
    ~Foo() { std::cout << "Destructor called\n"; }
    void doSomething() { std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << " a= " << a << " called\n"; }
};

int main() {
    Foo* foo = new Foo(5);
    foo->~Foo(); 

    Foo *revenant = new(foo) Foo();
    revenant->doSomething(); 
}

输出:

Foo::Foo(int) a= 5 called
Destructor called
Foo::Foo() a= 1873730472 called
void Foo::doSomething() a= 1873730472 called

不管我们是否调用析构函数，编译器都可以决定 revenant 与原始对象不同，因此我们不能重用旧数据，只能重用内存。

奇怪的是，在仍然执行 UB 的同时，如果我们从 Foo 中删除删除操作符，该操作似乎与 GCC 一样工作。在这种情况下我们不调用 delete，但是删除和添加它会改变编译器的行为，我相信这是实现的产物。