【C++笔记】C++编译器拷贝优化和内存管理

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好！上期我们讲了类和对象的收尾。但是还有一个拷贝的编译器优化没讲。今天我们就来讲一下C++拷贝的编译器优化和内存管理。话不多说，咱们进入正题！向大厂冲锋！

一.对象拷贝时的编译器优化

• 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过程中可以省略的拷贝。注意是保证正确性的前提下优化。
• 标准未规定
  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"的编译还会进行跨行跨表达式的合并优化。
• 验证

#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;
};

这里我们先实现一个类的构造，拷贝构造，赋值重载方便我们验证。

这里正常来说是一个构造+拷贝构造。
但是编译器觉得构造+拷贝构造产生临时对象不需要，直接用1构造aa1即可。所以这里是只有一个构造。

但是像这里就不能省去临时对象。因为这里是引用。必须要优一个A类型的对象才可以引用。同时这里const也不能省去。因为临时对象具有常性。


再看一下这里。这三个都是构造+拷贝构造。后面两个分别是隐式类型转化和匿名对象。但是只有第一个没被优化。但是C++没有规定，一些激进的编译器也有可能对第一个优化。
所以我们可以得出结论：
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"的编译还会进行跨行跨表达式的合并优化。

二.C/C++内存管理

2.1练习

• 练习一

我们先来看下面的一段代码和相关问题

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);
}

这里复习一下前面我们C语言的内存管理。

• 练习二

void Test()
{
	// 1.malloc/calloc/realloc的区别是什么？
	int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int) * 10);
	// 这里需要free(p2)吗？
	free(p3);
}

malloc/calloc/realloc的区别？这里还需要free(p2)吗？

2.2 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,不初始化就是随机值
	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,不初始化就是随机值
	int* ptr6 = new int[10];
	// 动态申请10个int类型的空间，初始化前五个，后五个默认为0
	int* ptr7 = new int[10] {1,2,3,4,5};
	delete ptr4;
	delete ptr5;
	delete[] ptr6;
	delete[] ptr7;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

C++使用new开辟空间，detele释放空间


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
  new自定义类型和detele自定义类型是会自动调用构造函数和析构函数。

class A
{
public:
	A(int a = 0,int b=0)
		: _a1(a)
		,_a2(b)
	{
		cout << "A():" << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "~A():" << this << endl;
	}
private:
	int _a1;
	int _a2;
};

以A这个自定义类型来说。

注意：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。所以以后我们都用new和delete。因为他们兼容C语言。

这里我们没有检查失败，因为一般情况不会失败。
C++失败检查是通过抛异常完成

2.3 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。

这里我们看一下operator new和operator delete的源码。

• operator new

/*
 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
*/
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

/*
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。

2.4new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[N]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

2.5不匹配使用

• 单个对象
  对于单个来说不匹配使用不会有太大的问题。但是自定义类型有可能存在内存泄漏。所以也要匹配使用
  
• 多个对象
  但是多个对象不匹配就会产生崩溃问题。
  对于多个对象的内置类型不会存在崩溃和内存泄漏
  

但是多个自定义对象就不一样了。

所以我们还是要匹配使用。否则不只是内存泄漏还可能程序崩溃。

2.6malloc/free和new/delete的区别

malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。不同的地方是：

• 类型
  malloc和free是函数，new和delete是操作符

• 初始化
  malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。

• 指定个数
  malloc申请空间时，需要手动计算空间大小并传递，new只需在其后跟上空间的类型即可， 如果是多个对象，[]中指定对象个数即可

• 返回值
  malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型

• 检查失败
  malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常

• 构造和析构
  申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成
  空间中资源的清理释放。

2.7定位new

定位new表达式是在已分配的原始内存空间中调用构造函数初始化一个对象。
定位new可以让我们显示的调用构造函数

int main()
{
	A* p2 = (A*)operator new(sizeof(A));
	new(p2)A(0,0);//调用构造函数初始化
	p2->~A();
	operator delete(p2);
	return 0;
}

但是似乎这样好像多此一举了？

• 使用场景
  定位new适用于内存池等场景。
  定位new表达式在实际中一般是配合内存池使用。因为内存池分配出的内存没有初始化，所以如果是自定义类型的对象，需要使用new的定义表达式进行显示调构造函数进行初始化。
  

后言

这就是编译器的拷贝优化和C++的内存管理。大家好好消化。今天就分享到这，感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~