C++内存管理

有关C++内存管理问题总结如下

基础问题

C++中堆和栈的区别是什么

1. 栈由系统分配释放，栈上变量的生命周期是确定的，一般与作用域有关。栈的地址由高到低，栈上分配的空间大小在编译时通常已知。
2. 堆由程序员手动开辟释放，堆上的变量除非被显示释放，否则会持续存在。堆的地址由低到高，堆上几乎可以分配任意大小的内存块，但可能会造成内存碎片。
3. 这里说一下C++的内存分区：堆区、栈区、data区、bss段、代码段。数据data区存放的是静态变量和初始化的全局变量，bss段存放的是未初始化的全局变量。

什么是RAII？为什么它在C++中很重要

RAII是一种编程思想和设计模式，核心思想是：将资源的获取与对象的初始化捆绑在一起，将资源的释放与对象的销毁捆绑在一起。这样，资源管理就与对象的生命周期紧密关联。

#include <iostream>
#include <fstream>

class File {
private:
    std::fstream fs;

public:
    File(const std::string& filename) {
        fs.open(filename, std::ios::in | std::ios::out);
        if (!fs.is_open()) {
            throw std::runtime_error("Failed to open the file");
        }
    }

    // 其他与文件相关的操作...

    ~File() {
        if (fs.is_open()) {
            fs.close();
        }
    }
};

int main() {
    try {
        File myFile("sample.txt");
        // 进行文件操作...

    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;
    }

    // 当myFile对象离开其作用域时，它的析构函数会自动被调用，从而关闭文件
}

解释new和delete，与malloc和free的区别

• 属性的区别

  new/delete：这两个是C++中的关键字；

  malloc/free：这两个是库函数；

• 使用上的区别

  malloc：申请空间需要显式填入申请内存的大小；

  new：无需显式填入申请内存的大小，new会根据new的类型分配内存；

• 返回类型的区别

  new操作符内存分配成功，返回的是对象类型的指针，类型严格与对象匹配，无需进行类型转换，故new是符合类型安全性的操作符。

  malloc内存分配成功返回的是void*指针，需要通过强制类型转换，转换成我们需要的类型。

  所以C++中new比malloc安全可靠。

• 分配失败的区别

  malloc分配失败会返回NULL，我们可以通过判断返回值是否是NULL得知是否分配成功。

  new分配失败会抛出bad_alloc异常。

• 扩张内存的区别

  malloc有内存扩张机制（通过realloc实现）。

  new没有扩张内存机制。

中级问题

为什么C++推荐使用智能指针，如shared_ptr和unique_ptr

• 自动管理内存：对于unique_ptr，当它超出作用域或者被重新分配时，它指向的对象会被删除。对于shared_ptr，当它的引用计数为0时，它指向的对象会被删除。
• 异常安全：当函数抛出异常，智能指针确保资源被正确清理，避免资源泄露。
• 防止悬挂指针：悬挂指针是指指向已经释放内存的指针。unique_ptr和shared_ptr可以减少悬挂指针的风险，因为他们确保在没有引用的时候释放资源。

你能解释shared_ptr中的引用计数机制是如何工作的吗

• 通过一个指针实现引用计数功能，加锁，保证线程安全

什么情况下会导致内存泄漏，你如何检测和预防

• 指针重新赋值

  int *p = new int();
  int *np = new int();
  p = np;
  //p原来的指向的内存无法释放，因为现在没有指针指向这块内存

• 错误的内存释放

  假设有一个指针p指向10字节的内存，该内存的第三个字节np又指向某个动态分配的内存， 如果此时你直接delete(p)，则会导致np指向的内存无法释放。

• 返回值的不正确处理

  int *f(){
  	return new int(42);
  }
  
  void f1(){
      f();
  }
  
  //由于没有对函数f()的返回值做正确接收，将会导致f函数分配的内存无法释放。

关于内存泄露可以使用工具：Valgrind。

高级问题

描述C++的内存模型是什么？如何保证线程间的数据同步？

什么是内存屏障(memory barrier)或内存栅栏？在哪些场景中需要使用它？

你有没有用过定制的内存分配器，比如为某些高性能的应用场景？如果有，请描述其工作原理和使用场景。

实践问题

描述一个你曾遇到的复杂的内存相关bug，你是如何诊断和解决的？

你如何评估一个C++程序的内存使用效率？你使用过哪些工具或技术

请编写一个小程序，其中创建一个有资源泄漏的类，然后展示如何使用工具或方法找到并修复该泄漏。