类和对象以及内存管理

news2024/9/21 10:58:40

对象拷贝时的编译器优化

现代编译器会为了尽可能提高程序的效率，在不影响正确性的情况下会尽可能减少⼀些传参和传返回值的过程中可以省略的拷贝。
如何优化C++标准并没有严格规定，各个编译器会根据情况自行处理。当前主流的相对新⼀点的编译器对于连续⼀个表达式步骤中的连续拷贝会进行合并优化，有些更新更"激进"的编译器还会进行跨行跨表达式的合并优化。

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
    A(int a = 0)
        :_a1(a)
    {
        cout << "A(int a)" << endl;
    }

    A(const A& aa)
        :_a1(aa._a1)
    {
        cout << "A(const A& aa)" << endl;
    }

    A& operator=(const A& aa)
    {
        cout << "A& operator=(const A& aa)" << endl;
        if (this != &aa)
        {
            _a1 = aa._a1;
        }
        return *this;
    }

    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }

private:
    int _a1 = 1;
};

void f1(A aa)
{
}

A f2()
{
    A aa;
    return aa;
}

int main()
{
    //传值传参
    A aa1;
    f1(aa1);
    cout << endl;
    //隐式类型，连续构造+拷贝构造->优化为直接构造

    f1(1);
    //⼀个表达式中，连续构造+拷贝构造->优化为⼀个构造

    f1(A(2));
    cout << endl;
    cout << "***********************************************" << endl;

    //传值返回
    //返回时⼀个表达式中，连续拷贝构造+拷贝构造->优化⼀个拷贝构造(vs2019 debug)
    // ⼀些编译器会优化得更厉害，进行跨行合并优化，直接变为构造(vs2022 debug)

    f2();
    cout << endl;
    //返回时⼀个表达式中，连续拷贝构造+拷贝构造->优化一个拷贝构造(vs2019 debug)
    //⼀些编译器会优化得更厉害，进行跨行合并优化，直接变为构造(vs2022 debug)

    A aa2 = f2();
    cout << endl;
    //⼀个表达式中，连续拷贝构造+赋值重载->无法优化

    aa1 = f2();
    cout << endl;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

C/C++内存分布

在这里插入图片描述
说明：

栈又叫堆栈–非静态局部变量/函数参数/返回值等等，栈是向下增长的。
内存映射段是高效的I/O映射方式，用于装载一个共享的动态内存库。用户可使用系统接口创建共享共享内存，做进程间通信。
堆用于程序运行时动态内存分配，堆是可以上增长的。
数据段–存储全局数据和静态数据。
代码段–可执行的代码/只读常量。

由以上知识分析下列变量的位置：

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
void Test()
{
	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	int num1[10] = { 1, 2, 3, 4 };
	char char2[] = "abcd";
	const char* pChar3 = "abcd";
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(int) * 4);
	free(ptr1);
	free(ptr3);
}

选择题：
选项: A.栈 B.堆 C.数据段(静态区) D.代码段(常量区)
globalVar在哪里？____
staticGlobalVar在哪里？____
staticVar在哪里？____
localVar在哪里？____
num1 在哪里？____

首先可以清楚的看出globalVar、staticGlobalVar为全局变量，因此存入数据段中；staticVar被static修饰，生命周期发生变化，成为全局变量，因此也存入数据段中；localVar为局部变量，num1为局部数组，因此都在栈中。因此上述的答案为CCCAA

char2在哪里？____
*char2在哪里？___
pChar3在哪里？____
*pChar3在哪里？____
ptr1在哪里？____
*ptr1在哪里？____

char2与num1相同都为局部数组，因此存入栈中；因为char2的数据在栈中，因此*char2也在栈中；pChar3为常量指针，存入栈中；因为*pChar3的数据为常量，因此存入代码段中；ptr1为地址，因此在栈中；由于ptr1是动态开辟的，因此 *ptr1在堆中。因此上述答案为AAADAB

C++内存管理方式

C语言内存管理方式在C++中可以继续使用，但有些地方就无能为力，而且使用起来比较麻烦，因此C++又提出了自己的内存管理方式：通过new和delete操作符进行动态内存管理。

new/delete操作内置类型

void Test()
{
	// 动态申请一个int类型的空间
	int* ptr4 = new int;
	// 动态申请一个int类型的空间并初始化为10
	int* ptr5 = new int(10);
	// 动态申请10个int类型的空间
	int* ptr6 = new int[10];
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
}

注意：申请和释放单个元素的空间，使用new和delete操作符，申请和释放连续的空间，使用new[]和delete[]，注意匹配起来使用。

new和delete操作自定义类型

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		: _a(a)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	// new/delete 和 malloc/free最大区别是 new/delete对于
	// 自定义类型除了开空间还会调用构造函数和析构函数
	A* p1 = (A*)malloc(sizeof(A));
	A* p2 = new A(1);

	free(p1);
	delete p2;
	// 内置类型是几乎是一样的
	int* p3 = (int*)malloc(sizeof(int)); 
	int* p4 = new int;
	free(p3);
	delete p4;

	A* p5 = (A*)malloc(sizeof(A) * 10);
	A* p6 = new A[10];
	free(p5);
	delete[] p6;

	return 0;
}

new与malloc，delete与free的最大区别：在申请自定义类型的空间时，new会调用构造函数，delete会调用析构函数，而malloc与free不会。

operator new与operator delete函数

new和delete是用户进行动态内存申请和释放的操作符，operator new 和operator delete是系统提供的全局函数，new在底层调用operator new全局函数来申请空间，delete在底层通过operator delete全局函数来释放空间。

//operator new：该函数实际通过malloc来申请空间，当malloc申请空间成功时直接返回；
//申请空间失败，尝试执行空间不足应对措施，如果改应对措施用户设置了，
//则继续申请，否则抛异常
void* __CRTDECL operator new(size_t size) _THROW1(_STD bad_alloc)
{
	// try to allocate size bytes
	void* p;
	while ((p = malloc(size)) == 0)
		if (_callnewh(size) == 0)
		{
			// report no memory
			// 如果申请内存失败了，这里会抛出bad_alloc 类型异常
			static const std::bad_alloc nomem;
			_RAISE(nomem);
		}
	return (p);
}

//operator delete: 该函数最终是通过free来释放空间的
void operator delete(void* pUserData)
{
	_CrtMemBlockHeader* pHead;
	RTCCALLBACK(_RTC_Free_hook, (pUserData, 0));
	if (pUserData == NULL)
		return;
	_mlock(_HEAP_LOCK);  //block other threads 
	__TRY
		//get a pointer to memory block header 
		pHead = pHdr(pUserData);
		//verify block type
		_ASSERTE(_BLOCK_TYPE_IS_VALID(pHead->nBlockUse));
		_free_dbg(pUserData, pHead->nBlockUse);
	__FINALLY
		_munlock(_HEAP_LOCK);  //release other threads
	__END_TRY_FINALLY
		return;
}

//free的实现
#define free(p) _free_dbg(p, _NORMAL_BLOCK)

通过上述两个全局函数的实现知道，operator new 实际也是通过malloc来申请空间，如果malloc申请空间成功就直接返回，否则执行用户提供的空间不足应对措施，如果用户提供该措施就继续申请，否则就抛异常。operator delete 最终是通过free来释放空间的。

new和delete的实现原理

内置类型

如果申请的是内置类型的空间，new和malloc，delete和free基本类似，不同的地方是：new/delete申请和释放的是单个元素的空间，new[]和delete[]申请的是连续空间，而且new在申请空间失败时会抛异常，malloc会返回NULL。

自定义类型

new的原理
1. 调用operator new函数申请空间
2. 在申请的空间上执行构造函数，完成对象的构造
delete的原理
1. 在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
2. 调用operator delete函数释放对象的空间
new T[]的原理
1. 调用operator new[]函数，在operator new[]中实际调用operator new函数完成N个对象空间的申请
2. 在申请的空间上执行N次构造函数
delete[]的原理
1. 在释放的对象空间上执行N次析构函数，完成N个对象中资源的清理
2. 调用operator delete[]释放空间，实际在operator delete[]中调用operator delete来释放空间