C++學(xué)習(xí)筆記之內(nèi)存3

19、內(nèi)存池的作用及其實(shí)現(xiàn)方法

內(nèi)存池是一種常見(jiàn)的內(nèi)存管理技術(shù)，它的作用是提高內(nèi)存的利用率，減少內(nèi)存碎片，以及提高內(nèi)存分配和釋放的效率。

內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)方法一般有兩種：

1. 預(yù)分配固定大小的內(nèi)存塊，當(dāng)需要分配內(nèi)存時(shí)，從內(nèi)存池中取出一個(gè)已經(jīng)分配好的內(nèi)存塊，使用完之后再將其歸還到內(nèi)存池中。
2. 動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，但是將內(nèi)存分為大小相等的塊，當(dāng)需要分配內(nèi)存時(shí)，從內(nèi)存池中取出一個(gè)大小合適的內(nèi)存塊，使用完之后再將其歸還到內(nèi)存池中。

這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1. 預(yù)分配固定大小的內(nèi)存塊：

優(yōu)點(diǎn)：* 分配和釋放內(nèi)存非常快，因?yàn)閮?nèi)存塊的大小是固定的。

• 可以避免內(nèi)存碎片的問(wèn)題，因?yàn)閮?nèi)存塊的大小是固定的，不會(huì)出現(xiàn)大小不一的內(nèi)存塊。

缺點(diǎn)：* 浪費(fèi)空間，因?yàn)轭A(yù)分配的內(nèi)存塊可能并不全部被使用，這些未使用的內(nèi)存塊就浪費(fèi)了。

• 不夠靈活，因?yàn)閮?nèi)存塊的大小是固定的，如果某些對(duì)象需要更大或更小的內(nèi)存塊，就需要重新設(shè)計(jì)內(nèi)存池的大小和結(jié)構(gòu)。

2. 動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存：

優(yōu)點(diǎn)：* 更靈活，因?yàn)閮?nèi)存塊的大小可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整。

• 更節(jié)省空間，因?yàn)橹环峙湫枰膬?nèi)存塊。

缺點(diǎn)：* 分配和釋放內(nèi)存較慢，因?yàn)樾枰獎(jiǎng)討B(tài)分配和回收內(nèi)存。

• 可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存碎片的問(wèn)題，因?yàn)閮?nèi)存塊的大小不固定，容易出現(xiàn)大小不一的內(nèi)存塊，造成內(nèi)存碎片。

20、如何構(gòu)造一個(gè)類(lèi)，使得只能在堆上或者在棧上分配內(nèi)存？

構(gòu)造一個(gè)類(lèi)，使得只能在堆上或者在棧上分配內(nèi)存，可以通過(guò)重載 new 和 delete 運(yùn)算符來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于棧上分配內(nèi)存，可以重載 new 和 delete 運(yùn)算符，并將 new 運(yùn)算符重載為返回地址。

對(duì)于堆上分配內(nèi)存，可以使用 placement new 運(yùn)算符手動(dòng)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，并將返回的指針作為類(lèi)的指針。在堆上分配內(nèi)存時(shí)，需要重載 new 和 delete 運(yùn)算符來(lái)調(diào)用 malloc 和 free 進(jìn)行內(nèi)存分配和釋放。同時(shí)，需要使用類(lèi)的 placement new 運(yùn)算符來(lái)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，以確保對(duì)象被正確初始化，并在析構(gòu)時(shí)調(diào)用類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)。

下面是一個(gè)示例代碼，演示如何將類(lèi)的內(nèi)存分配限制為堆上或者棧上：

#include 
#include 
#include 


class MyClass {
public:
    // 重載 new 運(yùn)算符，只允許在堆上分配內(nèi)存
    void* operator new(std::size_t size) {
        void* ptr = std::malloc(size);
        if (!ptr) {
            throw std::bad_alloc();
        }
        return ptr;
    }


    // 重載 delete 運(yùn)算符，釋放在堆上分配的內(nèi)存
    void operator delete(void* ptr) {
        std::free(ptr);
    }


    // 重載 placement new 運(yùn)算符，只允許在棧上分配內(nèi)存
    void* operator new(std::size_t size, void* ptr) {
        return ptr;
    }


    // 構(gòu)造函數(shù)
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructor
";
    }


    // 析構(gòu)函數(shù)
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destructor
";
    }
};


int main() {
    // 在堆上分配內(nèi)存
    MyClass* p1 = new MyClass();
    delete p1;


    // 在棧上分配內(nèi)存
    alignas(MyClass) char buffer[sizeof(MyClass)];
    MyClass* p2 = new(buffer) MyClass();
    p2->~MyClass();

    return 0;
}

在上面的示例代碼中，operator new 和 operator delete 運(yùn)算符被重載，以限制內(nèi)存分配在堆上。同時(shí)，使用了 placement new 運(yùn)算符，手動(dòng)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，以便在棧上分配內(nèi)存。

21、物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存的原理和區(qū)別分別是什么？

物理內(nèi)存是指計(jì)算機(jī)中實(shí)際存在的內(nèi)存，它由硬件組成，是直接可見(jiàn)的。而虛擬內(nèi)存是操作系統(tǒng)提供的一種機(jī)制，它將計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)空間作為內(nèi)存的一部分來(lái)使用，使得程序可以訪(fǎng)問(wèn)比物理內(nèi)存更大的內(nèi)存空間。

物理內(nèi)存的原理是通過(guò)內(nèi)存條等硬件設(shè)備將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，它的訪(fǎng)問(wèn)速度非?？?。當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將一部分內(nèi)存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到硬盤(pán)空間中，這就是虛擬內(nèi)存的原理。虛擬內(nèi)存將硬盤(pán)空間中的一部分作為內(nèi)存空間來(lái)使用，通過(guò)虛擬內(nèi)存地址與物理內(nèi)存地址之間的映射關(guān)系，使得程序可以訪(fǎng)問(wèn)比物理內(nèi)存更大的內(nèi)存空間。

物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：

• 大小不同：物理內(nèi)存的大小受限于計(jì)算機(jī)硬件的配置，而虛擬內(nèi)存的大小受限于硬盤(pán)的空間大小。
• 訪(fǎng)問(wèn)速度不同：物理內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)速度非?？欤摂M內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)速度相對(duì)較慢。
• 內(nèi)存管理方式不同：物理內(nèi)存由操作系統(tǒng)直接管理，而虛擬內(nèi)存則是由操作系統(tǒng)和硬件一起管理的。
• 分配方式不同：物理內(nèi)存的分配是靜態(tài)的，一般在啟動(dòng)時(shí)就已經(jīng)分配好了，而虛擬內(nèi)存的分配是動(dòng)態(tài)的，操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配虛擬內(nèi)存。

22、C++中變量的存儲(chǔ)位置？程序的內(nèi)存分配？

在C++中，變量的存儲(chǔ)位置可以分為以下幾種：

• 棧（stack）：用于存儲(chǔ)函數(shù)的局部變量和參數(shù)等。當(dāng)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，局部變量和參數(shù)等被分配在棧上，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，這些變量就會(huì)被自動(dòng)銷(xiāo)毀。
• 堆（heap）：用于動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，比如new、malloc等函數(shù)分配的內(nèi)存就位于堆上。需要手動(dòng)管理內(nèi)存的生命周期，使用完后需要調(diào)用delete或free等函數(shù)來(lái)釋放內(nèi)存，否則就會(huì)發(fā)生內(nèi)存泄漏。
• 全局區(qū)（data segment）：用于存儲(chǔ)全局變量、靜態(tài)變量和常量等。這些變量的生命周期從程序開(kāi)始到程序結(jié)束，它們位于程序的數(shù)據(jù)段中，內(nèi)存由系統(tǒng)自動(dòng)管理。
• 代碼區(qū)（code segment）：用于存儲(chǔ)程序的代碼。

程序的內(nèi)存分配是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)的，每個(gè)進(jìn)程都有自己的地址空間，這個(gè)地址空間包括代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和堆棧區(qū)。當(dāng)程序需要分配內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)在進(jìn)程的地址空間中為其分配一塊空閑的內(nèi)存。虛擬內(nèi)存是一種將主存看作磁盤(pán)存儲(chǔ)器擴(kuò)展的技術(shù)，它可以將硬盤(pán)空間當(dāng)作主存來(lái)使用。操作系統(tǒng)會(huì)將一部分主存空間作為虛擬內(nèi)存，當(dāng)程序需要分配內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將一部分虛擬內(nèi)存映射到主存中，程序就可以使用這些虛擬內(nèi)存了。如果程序需要更多的內(nèi)存，操作系統(tǒng)會(huì)將其余的虛擬內(nèi)存映射到硬盤(pán)上，這樣程序就可以繼續(xù)使用虛擬內(nèi)存了，這就是虛擬內(nèi)存的原理。

物理內(nèi)存是計(jì)算機(jī)中實(shí)際存在的內(nèi)存，它是由硬件提供的，而虛擬內(nèi)存則是由操作系統(tǒng)提供的一種擴(kuò)展內(nèi)存的技術(shù)，它利用硬盤(pán)空間來(lái)擴(kuò)展主存空間，從而使得計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行更多的程序和更大的程序。在操作系統(tǒng)看來(lái)，虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存是兩個(gè)不同的概念，它們之間的區(qū)別在于虛擬內(nèi)存是一種抽象的概念，而物理內(nèi)存是實(shí)際存在的硬件。

23、靜態(tài)內(nèi)存分配和動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的區(qū)別？

• 靜態(tài)內(nèi)存分配是指在程序編譯期間，由編譯器在編譯期間為變量分配內(nèi)存，這些內(nèi)存空間在程序運(yùn)行期間一直存在，直到程序結(jié)束才會(huì)被釋放。靜態(tài)內(nèi)存分配適用于一些固定大小、生命周期長(zhǎng)、不需要頻繁創(chuàng)建和釋放的變量，如全局變量和靜態(tài)局部變量等。靜態(tài)內(nèi)存分配的內(nèi)存大小在編譯時(shí)確定，因此不能動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)存大小。
• 動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配是指在程序運(yùn)行期間，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地為變量分配內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配由程序員手動(dòng)管理，需要使用new操作符申請(qǐng)內(nèi)存，使用delete操作符釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配適用于生命周期不確定、大小不固定、需要頻繁創(chuàng)建和釋放的變量。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的優(yōu)勢(shì)是可以動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)存大小，但需要程序員自行管理內(nèi)存分配和釋放，如果不當(dāng)使用可能會(huì)造成內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出等問(wèn)題。

總之，靜態(tài)內(nèi)存分配和動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配在不同的場(chǎng)景下有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，程序員需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的內(nèi)存分配方式。

24、什么是段錯(cuò)誤？什么時(shí)候發(fā)生段錯(cuò)誤？

段錯(cuò)誤（Segmentation fault）是指程序試圖訪(fǎng)問(wèn)非法的內(nèi)存地址，或試圖對(duì)沒(méi)有寫(xiě)權(quán)限的內(nèi)存地址進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。它是一種常見(jiàn)的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，通常由于指針操作不當(dāng)或者動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配不當(dāng)?shù)仍蛞稹?/p>

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)程序訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)未映射的地址、非法地址、只讀地址或已釋放的地址，或者當(dāng)程序試圖使用空指針訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)，就會(huì)觸發(fā)段錯(cuò)誤。

除此之外，還有一些其他的原因也會(huì)導(dǎo)致段錯(cuò)誤，比如堆棧溢出、緩沖區(qū)溢出等。

在出現(xiàn)段錯(cuò)誤時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)（SIGSEGV）給進(jìn)程，導(dǎo)致程序崩潰或者被操作系統(tǒng)殺死。為了避免段錯(cuò)誤的發(fā)生，開(kāi)發(fā)人員需要注意程序中所有指針和內(nèi)存操作的合法性，確保程序不會(huì)訪(fǎng)問(wèn)非法地址或已釋放的地址。另外，對(duì)于動(dòng)態(tài)內(nèi)存的分配和釋放，也需要謹(jǐn)慎處理，防止出現(xiàn)內(nèi)存泄漏或者重復(fù)釋放等問(wèn)題。

25、內(nèi)存塊太小導(dǎo)致malloc和new返回空指針，該怎么處理？

當(dāng)我們調(diào)用malloc或new分配內(nèi)存時(shí)，如果請(qǐng)求的內(nèi)存塊大小過(guò)大，超過(guò)了系統(tǒng)可用的內(nèi)存空間，則會(huì)返回一個(gè)空指針。同樣地，如果請(qǐng)求的內(nèi)存塊大小過(guò)小，系統(tǒng)也無(wú)法為其分配足夠的內(nèi)存空間，也會(huì)導(dǎo)致返回空指針。這個(gè)空指針表示系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足我們的內(nèi)存請(qǐng)求。因此，我們需要在代碼中對(duì)此進(jìn)行處理，以確保程序的健壯性和穩(wěn)定性。

針對(duì)內(nèi)存塊太小的情況，我們可以考慮減小內(nèi)存塊的分配單位或者增加可用內(nèi)存大小。比如，可以將分配單位改為字節(jié)級(jí)別，或者增加系統(tǒng)可用的物理內(nèi)存或虛擬內(nèi)存空間。

當(dāng)然，如果我們確定程序需要的內(nèi)存大小是有限的，可以考慮預(yù)先分配一定的內(nèi)存池或緩存池，以避免內(nèi)存塊太小的問(wèn)題。此外，如果程序只需要在某些特定的場(chǎng)景下使用內(nèi)存，可以通過(guò)惰性初始化等方式來(lái)避免在程序啟動(dòng)時(shí)分配大量的內(nèi)存空間。

26、你知道程序可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)嗎？

• 頭部信息：包含文件格式、目標(biāo)平臺(tái)、入口點(diǎn)地址等信息。
• 代碼段：存放程序的指令集，包括可執(zhí)行代碼和只讀數(shù)據(jù)，通常是機(jī)器指令的二進(jìn)制表示。
• 數(shù)據(jù)段：存放程序的靜態(tài)變量和全局變量，包括可讀寫(xiě)數(shù)據(jù)和只讀數(shù)據(jù)，通常是程序中定義的變量和常量。
• 棧：存放函數(shù)的局部變量和函數(shù)調(diào)用的上下文信息，以及函數(shù)參數(shù)等信息。棧的大小在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)變化，通常由操作系統(tǒng)或者運(yùn)行時(shí)庫(kù)進(jìn)行管理。
• 堆：存放動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存，由程序通過(guò)malloc或new等操作進(jìn)行申請(qǐng)和釋放。

在不同的操作系統(tǒng)和編譯器下，程序可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)可能會(huì)有所不同，但通常包含以上幾個(gè)部分。