C++學(xué)習(xí)筆記之內(nèi)存2

8、你能講講C++內(nèi)存對齊的使用場景嗎？

C++內(nèi)存對齊是指按照一定的規(guī)則將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)成員排列在內(nèi)存中的過程，其目的是為了優(yōu)化內(nèi)存訪問速度。常見的使用場景包括：

• 減少內(nèi)存碎片：對齊可以保證結(jié)構(gòu)體或類中的數(shù)據(jù)成員按照規(guī)則排列，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)成員的大小不一致而導(dǎo)致的內(nèi)存碎片。
• 提高數(shù)據(jù)訪問速度：由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存訪問是按照一定的塊大小進(jìn)行的，對齊可以保證數(shù)據(jù)成員按照塊的大小進(jìn)行存儲(chǔ)，從而提高內(nèi)存訪問速度。
• 保證跨平臺(tái)兼容性：不同的平臺(tái)可能對內(nèi)存對齊有不同的要求，使用內(nèi)存對齊可以保證程序在不同平臺(tái)上的運(yùn)行效果一致。

需要注意的是，使用內(nèi)存對齊可能會(huì)增加數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小，從而增加內(nèi)存的占用。在一些對內(nèi)存占用要求較高的場景下，需要仔細(xì)權(quán)衡內(nèi)存占用和內(nèi)存訪問速度等因素，選擇合適的內(nèi)存對齊方式。

9、內(nèi)存對齊應(yīng)用于哪幾種數(shù)據(jù)類型及其對齊原則是什么？

內(nèi)存對齊通常應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體和類中的數(shù)據(jù)成員，以保證數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)效率。

對于結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體和類中的數(shù)據(jù)成員，編譯器會(huì)按照某種規(guī)則將它們存放在內(nèi)存中，以保證各個(gè)數(shù)據(jù)成員之間的距離是整齊的，并且數(shù)據(jù)成員的地址是一致的。

在進(jìn)行內(nèi)存對齊時(shí)，通常需要遵守以下三個(gè)原則：

• 數(shù)據(jù)成員的偏移量必須是對齊數(shù)的整數(shù)倍。對齊數(shù)指的是編譯器為了滿足對齊要求而添加的字節(jié)大小。例如，對于4字節(jié)對齊的結(jié)構(gòu)體，其對齊數(shù)為4，數(shù)據(jù)成員的偏移量必須是4的整數(shù)倍。
• 結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體和類的大小必須是對齊數(shù)的整數(shù)倍。即結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體和類的大小必須是它所包含的最大的數(shù)據(jù)成員大小的整數(shù)倍。例如，如果結(jié)構(gòu)體中最大的數(shù)據(jù)成員的大小是8字節(jié)，對齊數(shù)是4，那么結(jié)構(gòu)體的大小必須是8的整數(shù)倍，即16字節(jié)。
• 結(jié)構(gòu)體中嵌套的結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合體的起始地址必須符合其內(nèi)部最嚴(yán)格數(shù)據(jù)成員的對齊要求。

10、你能說說什么是內(nèi)存對齊嗎？

內(nèi)存對齊是指將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的每個(gè)成員按照一定的規(guī)則進(jìn)行排列，使得每個(gè)成員的起始地址相對于該結(jié)構(gòu)的起始地址偏移量為該成員大小的整數(shù)倍。這樣做的目的是為了讓處理器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)更加高效，因?yàn)樘幚砥骺梢砸淮涡宰x取多個(gè)連續(xù)地址上的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)不對齊，處理器就需要多次讀取，降低了讀取速度。

11、那為什么要內(nèi)存對齊呢

內(nèi)存對齊是為了提高內(nèi)存讀取效率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全而進(jìn)行的一種處理方式。

當(dāng)CPU從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)沒有按照規(guī)定的對齊方式進(jìn)行存儲(chǔ)，那么CPU需要分兩次或更多次讀取內(nèi)存，這會(huì)增加CPU訪問內(nèi)存的時(shí)間和系統(tǒng)的開銷。因此，內(nèi)存對齊可以減少CPU訪問內(nèi)存的時(shí)間和系統(tǒng)開銷，提高系統(tǒng)的效率。

此外，對于結(jié)構(gòu)體等復(fù)合類型數(shù)據(jù)的內(nèi)存存儲(chǔ)，內(nèi)存對齊還可以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。如果數(shù)據(jù)沒有按照規(guī)定的對齊方式存儲(chǔ)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)被拆分存儲(chǔ)在兩個(gè)內(nèi)存塊中，這樣會(huì)增加訪問內(nèi)存的復(fù)雜度，并且在多線程環(huán)境下可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)競爭的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性。而通過內(nèi)存對齊，可以避免這些問題的發(fā)生，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

12、能否舉一個(gè)內(nèi)存對齊的例子呢？

當(dāng)某個(gè)結(jié)構(gòu)體成員變量的類型與起始地址不是它大小的整數(shù)倍時(shí)，就需要字節(jié)對齊。以下是一個(gè)字節(jié)對齊的例子：

struct Example {
  char a;     // 占用 1 個(gè)字節(jié)
  int b;      // 占用 4 個(gè)字節(jié)
  double c;   // 占用 8 個(gè)字節(jié)
  char d[3];  // 占用 3 個(gè)字節(jié)
};

在這個(gè)例子中，a 變量占用了 1 個(gè)字節(jié)，b 變量占用了 4 個(gè)字節(jié)，c 變量占用了 8 個(gè)字節(jié)，d 數(shù)組占用了 3 個(gè)字節(jié)。如果這個(gè)結(jié)構(gòu)體按照自然對齊（默認(rèn)情況下的對齊方式）來分配內(nèi)存，那么變量的內(nèi)存布局如下所示：

| 1字節(jié) |   3字節(jié)   | 4字節(jié) | 8字節(jié) |
|-------|-----------|-------|-------|
|   a   |   [pad]   |   b   |   c   |
|       |   [pad]   |       |       |
|       |   [pad]   |       |       |
|       |     d     |       |       |

在這個(gè)布局中，a 變量的內(nèi)存占用了 1 個(gè)字節(jié)，與其大小相等。但是，b 變量的內(nèi)存占用了 4 個(gè)字節(jié)，雖然它只需要占用 4 字節(jié)，但是卻占用了 8 字節(jié)的內(nèi)存，多出了 4 個(gè)字節(jié)。這是因?yàn)樵谀J(rèn)情況下，編譯器會(huì)為 b 變量分配 4 個(gè)字節(jié)的內(nèi)存，并在它后面填充 3 個(gè)字節(jié)的 padding，以保證變量的地址是 8 的倍數(shù)，從而提高內(nèi)存訪問的效率。

同理，c 變量的內(nèi)存占用了 8 個(gè)字節(jié)，與其大小相等，d 數(shù)組的內(nèi)存占用了 3 個(gè)字節(jié)，與其大小相等，但是為了保證結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存是 8 的倍數(shù)，它后面填充了 5 個(gè)字節(jié)的 padding。

13、你知道C++內(nèi)存分配可能會(huì)出現(xiàn)哪些問題嗎？

• 內(nèi)存泄漏：在使用完堆上的內(nèi)存后沒有及時(shí)釋放，導(dǎo)致程序運(yùn)行過程中不斷地占用內(nèi)存。
• 內(nèi)存溢出：在申請內(nèi)存時(shí)超出了操作系統(tǒng)或程序所能提供的內(nèi)存上限，導(dǎo)致程序崩潰。
• 懸垂指針：指向已經(jīng)被釋放的內(nèi)存區(qū)域，導(dǎo)致程序訪問非法內(nèi)存而崩潰。
• 雙重釋放：在釋放內(nèi)存時(shí)出現(xiàn)重復(fù)釋放同一內(nèi)存區(qū)域的情況，導(dǎo)致程序崩潰。
• 內(nèi)存訪問越界：程序訪問了已經(jīng)超出了申請內(nèi)存空間的范圍，導(dǎo)致程序崩潰。

為了避免這些問題的發(fā)生，我們在編寫C++程序時(shí)需要遵循一些規(guī)則，如正確使用new/delete、malloc/free等內(nèi)存管理函數(shù)，合理地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。此外，還可以使用一些工具來輔助檢測內(nèi)存相關(guān)的問題，例如Valgrind、GDB等。

14、說一說指針參數(shù)是如何傳遞內(nèi)存？

指針參數(shù)在函數(shù)調(diào)用時(shí)傳遞的是地址，也就是指向變量內(nèi)存地址的指針。因此，在函數(shù)中通過指針參數(shù)修改變量的值，其實(shí)就是通過地址間接修改了變量的值。指針參數(shù)的傳遞是按值傳遞的，也就是傳遞的是指針變量的值，也就是地址。函數(shù)中的指針參數(shù)是函數(shù)調(diào)用者的一個(gè)變量地址的副本，也就是指針變量的值的副本，因此修改指針的值不會(huì)影響原始的指針變量。但是，修改指針?biāo)赶虻膬?nèi)存地址中的內(nèi)容，會(huì)直接影響原始變量的值。

舉個(gè)例子，假設(shè)有以下代碼：

void func(int* p) {
    *p = 10;
    p = NULL;
}


int main() {
    int a = 0;
    int* p = &a;
    func(p);
    printf("%d
", a);
    printf("%p
", p);
    return 0;
}

在調(diào)用func函數(shù)時(shí)，將指向a的指針p傳遞給函數(shù)。在函數(shù)中，將p指向的內(nèi)存地址中的內(nèi)容修改為10。但是，對p賦值為NULL只會(huì)影響函數(shù)內(nèi)部的p指針副本，不會(huì)影響函數(shù)外部的p指針變量。因此，函數(shù)結(jié)束后，p仍然指向a的地址。最后輸出a的值為10，p的值為a的地址。

15、什么是野指針？如何預(yù)防呢？

野指針是指指向已經(jīng)釋放的內(nèi)存空間的指針，或者指向未被分配的內(nèi)存空間的指針。當(dāng)程序試圖使用野指針時(shí)，就可能會(huì)導(dǎo)致程序崩潰或者出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

為了預(yù)防野指針問題，可以采取以下措施：

• 初始化指針：在定義指針時(shí)，盡量立即進(jìn)行初始化，可以將指針賦值為NULL或nullptr。這樣即使在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)了未被分配的指針，也不會(huì)成為野指針。
• 及時(shí)釋放指針：在使用完指針后，及時(shí)調(diào)用delete或free等函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存釋放，這樣就可以防止野指針的產(chǎn)生。
• 置空指針：在釋放指針的內(nèi)存之后，及時(shí)將指針賦值為NULL或nullptr，以防止指針繼續(xù)被使用。
• 避免懸掛指針：當(dāng)一個(gè)指針被釋放之后，如果仍然指向原來的內(nèi)存區(qū)域，那么在其他代碼中可能會(huì)誤認(rèn)為該內(nèi)存區(qū)域仍然可用，從而出現(xiàn)懸掛指針問題。為了避免這種情況，可以在釋放指針時(shí)將其指向的內(nèi)存區(qū)域清零或者賦值為特定的值，這樣就可以避免出現(xiàn)懸掛指針的問題。

16、內(nèi)存耗盡怎么辦？

• 使用內(nèi)存池：內(nèi)存池是一種管理內(nèi)存分配和釋放的技術(shù)，它可以預(yù)分配一定數(shù)量的內(nèi)存，并將其緩存起來，當(dāng)程序需要分配內(nèi)存時(shí)，就直接從緩存中取出一塊內(nèi)存使用。
• 優(yōu)化算法：盡可能地避免不必要的內(nèi)存分配，可以考慮使用一些高效的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如緩存、哈希表等。
• 調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)：可以通過修改操作系統(tǒng)的一些參數(shù)來增加可用內(nèi)存，如增加虛擬內(nèi)存、減少進(jìn)程數(shù)量等。
• 釋放不必要的內(nèi)存：在程序運(yùn)行過程中，及時(shí)釋放不再使用的內(nèi)存，避免內(nèi)存浪費(fèi)。

17、什么是內(nèi)存碎片，怎么避免內(nèi)存碎片？

內(nèi)存碎片是指內(nèi)存中存在大量不連續(xù)的、小塊的未使用內(nèi)存空間，這些空間不能被分配給大塊的內(nèi)存請求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足內(nèi)存請求的情況。內(nèi)存碎片可能會(huì)導(dǎo)致程序性能下降，甚至系統(tǒng)崩潰。

為了避免內(nèi)存碎片，可以采取以下措施：

• 盡量避免頻繁的內(nèi)存分配和釋放，可以采用對象池等技術(shù)來管理內(nèi)存。
• 使用內(nèi)存池技術(shù)，對一定大小范圍內(nèi)的內(nèi)存進(jìn)行預(yù)分配，避免頻繁的內(nèi)存分配和釋放。
• 使用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的時(shí)候，盡量分配固定大小的塊，而不是小塊，避免出現(xiàn)大量的內(nèi)存碎片。
• 使用內(nèi)存對齊技術(shù)，可以減少內(nèi)存碎片的發(fā)生。
• 定期進(jìn)行內(nèi)存整理，將多個(gè)小的內(nèi)存塊合并成一個(gè)大的內(nèi)存塊。
• 對于長時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用程序，可以考慮使用內(nèi)存映射文件等技術(shù)，將數(shù)據(jù)保存在文件中，而不是內(nèi)存中，避免內(nèi)存碎片的發(fā)生。

18、簡單介紹一下C++五大存儲(chǔ)區(qū)

• 代碼區(qū)（Code Segment）：存儲(chǔ)程序執(zhí)行的代碼。
• 全局區(qū)（Global Segment/Data Segment）：存儲(chǔ)全局變量和靜態(tài)變量，包括未初始化和已初始化的變量。
• 堆區(qū)（Heap Segment）：由程序員手動(dòng)申請和釋放的內(nèi)存空間。
• 棧區(qū)（Stack Segment）：存儲(chǔ)函數(shù)的參數(shù)值、局部變量等。
• 常量區(qū)（Constant Segment）：存儲(chǔ)常量數(shù)據(jù)，如字符串常量。

這五個(gè)存儲(chǔ)區(qū)都有其特定的作用和生命周期，在 C++ 編程中需要了解清楚它們的特點(diǎn)，合理地利用它們，才能編寫出高效可靠的程序。