【C++ 面试 - 内存管理】每日 3 题（一）

news2024/9/20 20:47:33

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📚专栏简介：在这个专栏中，我将会分享 C++ 面试中常见的面试题给大家~
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1. 简要说明 C++ 的内存分区

C++ 中的内存分区，分别是堆、栈、自由存储区、全局/静态存储区、常量存储区和代码区。

栈：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

堆：就是那些由 malloc 等分配的内存块，和堆是十分相似的，不过是用 free 来结束自己的生命（new 也可以在堆上分配内存）。

自由存储区：就是那些由new分配的内存块，他们的释放编译器不去管，由我们的应用程序去控制，一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统会自动回收。

全局/静态存储区：全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的 C 语言中，全局变量和静态变量又分为初始化的和未初始化的，在 C++ 里面没有这个区分了，它们共同占用同一块内存区，在该区定义的变量若没有初始化，则会被自动初始化，例如 int 型变量自动初始为 0。

常量存储区：这是一块比较特殊的存储区，这里面存放的是常量，不允许修改。

代码区：存放函数体的二进制代码。

2. C+ + 中类的数据成员和成员函数内存分布情况

C++ 类是由结构体发展得来的，所以他们的成员变量（C 语言的结构体只有成员变量）的内存分配机制是一样的。下面我们以类来说明问题，如果类的问题通了，结构体也也就没问题啦。类分为成员变量和成员函数，我们先来讨论成员变量。

一个类对象的地址就是类所包含的这一片内存空间的首地址，这个首地址也就对应具体某一个成员变量的地址。（在定义类对象的同时这些成员变量也就被定义了），举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;

class Person
{
public:
    Person()
    {
        this->age = 23;
    }
    void printAge()
    {
        cout << this->age <<endl;
    }
    ~Person(){}
public:
    int age;
};

int main()
{
    Person p;
    cout << "对象地址："<< &p <<endl;
    cout << "age地址："<< &(p.age) <<endl;
    cout << "对象大小："<< sizeof(p) <<endl;
    cout << "age大小："<< sizeof(p.age) <<endl;
    return 0;
}
//输出结果
//对象地址：0x7fffec0f15a8
//age地址：0x7fffec0f15a8
//对象大小：4
//age大小：4

从代码运行结果来看，对象的大小和对象中数据成员的大小是一致的，也就是说，成员函数不占用对象的内存。这是因为所有的函数都是存放在代码区的，不管是全局函数，还是成员函数。

要是成员函数占用类的对象空间，那么将是多么可怕的事情：定义一次类对象就有成员函数占用一段空间。

我们再来补充一下静态成员函数的存放问题：静态成员函数与一般成员函数的唯一区别就是没有 this 指针，因此不能访问非静态数据成员。

就像我前面提到的，所有函数都存放在代码区，静态函数也不例外。所以有人一看到 static 这个单词就主观的认为是存放在全局数据区，那是不对的。

3. 介绍一下内存对齐

自然对齐边界：对于基本数据类型，其自然对齐边界通常为其大小。例如，char 型的自然对齐边界为 1 字节， short 为 2 字节， int 和 float 为 4 字节， double 和 64 位指针为 8 字节。具体数值可能因编译器和平台而异。
结构体对齐：结构体内部的每个成员都根据其自然对齐边界进行对齐。也就是可能在成员之间插入填充字节。结构体本身的总大小也会根据其最大对齐边界的成员进行对齐(比如结构体成员包含的最长类型为 int 类型，那么整个结构体要按照 4 的倍数对齐)，以便在数组中正确对齐。
联合体对齐：联合体的对齐边界取决于其最大对齐边界的成员。联合体的大小等于其最大大小的成员，因为联合体的所有成员共享相同的内存空间。
编译器指令：可以使用编译器指令 (如 #pragma pack ) 更改默认的对齐规则。这个命令是全局生效的。这可以用于减小数据结构的大小，但可能会降低访问性能。
对齐属性：在 C++11 及更高版本中，可以使用 alignas 关键字为数据结构或变量指定对齐要求。这个命令是对某个类型或者对象生效的。例如， alignas(16) int x; 将确保 x 的地址是 16 的倍数。
动态内存分配：大多数内存分配函数 (如 malloc 和 new ) 会自动分配足够对齐的内存，以满足任何数据类型的对齐要求。