千万不要错过的后端【纯干货】面试知识点整理 I I

c++内存管理

上次分享整理的面试知识点 I ， 今天我们来继续分享面试知识点整理 II

#include<stdio.h>
int a;    //未初始化全局区 .bss
int b=1;    //已初始化全局区  .data
static int c=2;    //已初始化全局区  .data
const int d=3;    //只读数据段，也叫文字常量区 ro.data, d的值不能被修改
int main(void)
{
    int e=4;    //栈区
    static int f=5;    //已初始化全局区
    const int g=6;    //栈区，不能通过变量名修改其值，但可通过其地址修改其值
    int *p=malloc(sizeof(int))    //指针变量p在栈区，但其所指向的4字节空间在堆区
    char *str="abcd";    //字符串“abcd”存在文字常量区，指针变量str在栈区，存的是“abcd”的起始地址
    return 0;
}

内存泄露及分类

内存泄漏，是由于疏忽或错误造成程序未能释放掉不再使用的内存。内存泄漏，并不是指内存内存再物理地址上的消失，而是应用程序分配某段内存后，失去了对该段内存的控制，因而造成内存的浪费。

• 一般情况是new/malloc 后，没有及时delete/free释放内存，判断为内存泄露
• linux中可以使用valgrind来检测内存泄漏

内存泄漏的分类：

• 堆内存泄漏  ---  new/malloc 后 没有delete/free掉
• 系统资源泄漏 ---  系统分配的资源，没有用指定的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重影响系统性能，如：socket，bitmap，handle
• 没有将父类的析构函数定义为虚函数 --- 父类指针指向子类对象的时候，释放内存的时候，若父类的析构函数不是virtual的话，子类的内存是不会得到释放的，因此会内存泄漏

c++中是如何处理内存泄漏的：

使用valgrind，mtrace来检测内存泄漏

避免内存泄漏：

1.事前预防型。如智能指针等。 2.事后查错型。如泄漏检测工具。

智能指针

使用智能指针，智能指针会自动删除被分配的内存，他和普通指针类似，只是不需要手动释放指针，智能指针自己管理内存释放，不用担心内存泄漏问题

智能指针有：

• auto_ptr
• unique_ptr
• shared_ptr
• weak_ptr

其中auto_ptr  c++11已经被弃用了

unique_ptr

独占的智能指针，只能有一个对象拥有所有权，独占指针的是自己管理内存的，指针存在于栈空间，开辟的内存在堆空间，这里的堆空间是和智能指针绑定的，智能指针随着函数结束被销毁之前，智能指针会先去把堆里面的内存销毁

其中涉及

• move函数 -- 可以使用move函数来转移所有权，转移所有权后，原来的指针就无权访问
  
• reset函数 -- 可以用reset函数来重置所有权，会把之前的对象所有权释放掉，重新创建一个所有权对象
  
• make_unique -- 快速的创建一个unique_ptr智能指针的对象 如 auto myptr = make_unique();
  

如果希望只有一个智能指针管理资源 就使用 unique_ptr

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;
struct person
{
  ~person()
  {
    cout<<"~person"<<endl;
  }
  string str;
};
unique_ptr<person> test()
{
  return unique_ptr<person> (new person);
}
int main()
{
  //unique_ptr is ownership 
  unique_ptr<person> p = test();
  p->str = "hello world";
  unique_ptr<person> p2 = move(p);  //可以使用move函数来转移所有权，转移所有权后，原来的指针就无权访问
  if(!p)
  {
    cout<<"p == null" <<endl;
  }
  if(p2)
  {
    cout<<"p2 have ownership"<<endl;
    cout<<p2->str<<endl;
  }
  p2.reset(new person);//可以用reset函数来重置所有权，会把之前的对象所有权释放掉，重新创建一个所有权对象
  if(p2->str.empty())
  {
    cout<<"str is null"<<endl;
  }
     return 0;
 }

shared_ptr

共享的智能指针，shared_ptr使用引用计数（use_count方法），每个shared_ptr的拷贝都指向同一块内存，在最后一个shared_ptr被析构的时候，内存才会被释放

• shared_ptr 是引用计数的方式，使用use_count查看计数
  
• make_shared 快捷创建 shared_ptr
  

使用函数返回自己的shared_ptr时，需要继承enable_shared_from_this类，使用shared_from_this函数进行返回

注意事项：

• 不要将this指针作为返回值
  
• 要避免循环引用
  
• 不要再函数实参种创建shared_ptr，在调用函数之前先定义以及初始化它
  
• 不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr
  

希望多个指针管理同一个资源就使用shared_ptr

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;
struct person
  :enable_shared_from_this<person>{
  string str;
  void show()
  {
    cout<<str<<endl;
  }
  ~person()
  {
    cout<<"~person"<<endl;
  }
  shared_ptr<person> getshared()
  {
    return shared_from_this();
  }
};
int main()
{
  #if 0
  shared_ptr<person> ptr(new person);
  cout<< ptr.use_count()<<endl;
  shared_ptr<person> ptr2 = ptr;
  cout<< ptr.use_count()<<endl;
  shared_ptr<person> a = make_shared<person>();
  cout<< a.use_count()<<endl;
  a = ptr2;
  cout<< ptr.use_count()<<endl;
  shared_ptr<person> mm = a->getshared();
  #endif
  shared_ptr<person> ptr;
  {
    shared_ptr<person> ptr2(new person);
    ptr2->str = "hello";
    ptr = ptr2->getshared();  
    cout<< ptr.use_count()<<endl;
  }
  ptr->show();
  return 0;
}

weak_ptr

弱引用的智能指针

是用来监视shared_ptr的，不会使用计数器加1，也不会使用计数器减1，主要是为了监视shared_ptr的生命周期，更像是shared_ptr的一个助手。weak_ptr还可以用来返回this指针和解决循环引用的问题。

shared_ptr会有循环引用的问题  ，解决方式为 把类中的shared_ptr 换成 weak_ptr即可

struct ListNode
{
  std::shared_ptr<ListNode> _next;//std::weak_ptr<ListNode> _next; 就可以解决
  std::shared_ptr<ListNode>  _prev;//std::weak_ptr<ListNode> _pre; 就可以解决
  ~ListNode()
  {
    cout << "~ListNode()" << endl;
  }
};
void test_shared_ptr_cycleRef()
{
  std::shared_ptr<ListNode> cur(new ListNode);
  std::shared_ptr<ListNode> next(new ListNode);
  cur->_next = next;
  next->_prev = cur;
}
int main()
{
  test_shared_ptr_cycleRef();
  system("pause");
  return 0;
}

例如上述代码案例

void shared_ptr_cycleRef(){
    std::shared_ptr<LISTNODE> cur LISTNODE;
    std::shared_ptr<LISTNODE> next LISTNODE;
     cur->_next = next;
     next->_pre = cur;
}

Cur 和 next 存在循环引用，他们的引用计数都变为 2

出了作用域之后，cur 和 next 被销毁，引用计数减 1

因此要释放cur ， 就需要释放next 的 _pre，要释放next ， 就需要释放cur 的 _next

内存泄漏检测工具

valgrind内存检测工具

valgrind的官方网址是：valgrind.org

valgrind被设计成非侵入式的，它直接工作于可执行文件上，因此在检查前不需要重新编译、连接和修改你的程序。要检查一个程序很简单

命令如下： valgrind --tool=tool_name program_name

• 做内存检查： valgrind --tool=memcheck ls -l
• 检查内存泄漏： valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes ls -l

valgrind有如下几个工具：

memcheck

memcheck 探测程序中内存管理存在的问题。

它检查所有对内存的读/写操作，并截取所有的malloc/new/free/delete调用。因此memcheck工具能够探测到以下问题：

Memcheck 工具主要检查下面的程序错误：

• 使用未初始化的内存 (Use of uninitialised memory)
  
• 使用已经释放了的内存 (Reading/writing memory after it has been free’d)
  
• 使用超过 malloc分配的内存空间(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)
  
• 对堆栈的非法访问 (Reading/writing inappropriate areas on the stack)
  
• 申请的空间已经释放释放，即内存泄漏 (Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)
  
• malloc/free/new/delete申请和释放内存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])
  
• src和dst的重叠(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)
  

cachegrind

cachegrind 是一个cache剖析器。

它模拟执行CPU中的L1, D1和L2 cache，

因此它能很精确的指出代码中的cache未命中。

它可以打印出cache未命中的次数，内存引用和发生cache未命中的每一行 代码，每一个函数，每一个模块和整个程序的摘要。

若要求更细致的信息，它可以打印出每一行机器码的未命中次数。

在x86和amd64上， cachegrind通过CPUID自动探测机器的cache配置，所以在多数情况下它不再需要更多的配置信息了。

helgrind

helgrind查找多线程程序中的竞争数据。

helgrind查找内存地址，那些被多于一条线程访问的内存地址，但是没有使用一致的锁就会被查出。这表示这些地址在多线程间访问的时候没有进行同步，很可能会引起很难查找的时序问题。

产生段错误的原因

• 使用野指针
• 试图对字符串常量进行修改

new和malloc的区别：

在申请内存时

• new是一个操作符，可以被重载，malloc是一个库函数
  
• new在申请内存的时候，会按照对象的数据结构分配内存，malloc分配指定的内存大小
  
• new申请内存时，会调用构造函数，malloc不会
  
• new申请内存时，返回对象的指针，malloc申请内存的时候，返回(void *) 因此需要强转
  
• 申请数组的时候，new[]，会一次性分配所有内存，调用多个构造函数，因此需要delete[]来销毁内存，调用多次析构函数，而 malloc 只能sizeof(int)*n
  
• new申请内存失败，会抛bac_malloc异常， malloc申请失败则返回NULL
  
• malloc当分配的内存不够的时候，会使用realloc再次分配内存， new没有这样的机制。
  
• new分配的内存需要用delete释放，delete 会调用析构函数，malloc分配的内存需要free 函数释放
  

realloc的原理：

realloc是在C语言中出现的，c++已经摒弃realloc函数，realloc函数分配一块新内存的时候，会把原内存中的内存copy到新内存中，通过memmove的方式

共享内存相关的api

• shmget   新建共享内存
• shmat 连接共享内存到当前地址空间
• shmdt 分离共享内存
• shmctl 控制共享内存

c++ STL内存优化

c++11新特性：

关键字和语法

• auto关键字

编译器可以根据初始化来推导数据类型，不能用于函数传参和以及数组类型推导

• nullptr关键字

一种特殊类型的字面量，可以被转成任意的其他类型

• 初始化列表

初始化类的列表

• 右值引用

可以实现移动语义和完美转发，消除两个对象交互时不必要的拷贝，节省存储资源，提高效率

新增容器

• 新增STL array ，tuple、unordered_map,unordered_set

智能指针，内存管理

• 智能指针

新增 shared_ptr、weak_ptr用于内存管理

多线程

• atomic原子操作

用于多线程互斥

其他

• lamda表达式

可以通过捕获列表访问上下文的数据

• std::function   std::bin d封装可执行对象

防止头文件重复引用：

#ifndef

作用：相同的两个文件不会被重复包含。

优点：

• 受C/C++语言标准的支持，不受编译器的限制。
• 不仅仅局限于避免同一个文件被重复包含，也能避免内容完全相同的两个文件（或代码片段）被重复包含。

缺点：

• 如果不同头文件中的宏名恰好相同，可能就会导致你看到头文件明明存在，编译器却说找不到声明的情况。
• 由于编译器每次都需要打开头文件才能判定是否有重复定义，因此在编译大型项目时，#ifndef会使得编译时间相对较长。

#pragma once

作用：物理上的同一个文件不会被重复包含。

优点：

• 避免#ifndef中因为宏名相同导致的问题。
• 由于编译器不需要打开头文件就能判定是否有重复定义，因此在编译大型项目时，比#ifndef更快。

缺点：

• #pragma once只针对同一文件有效，对相同的两个文件（或代码片段）使用无效
• #pragma once不受一些较老版本的编译器支持，一些支持了的编译器又打算去掉它，所以它的兼容性可能不够好。

继承与组合

• 继承是面向对象三大基本特征之一(继承，封装，多态)，继承就是子类继承父类的特征和行为，使得子类对象（实例）具有父类的实例域和方法，或子类从父类继承方法，使得子类具有父类相同的行为，继承强调的是is-a关系，是**‘白盒式’**的代码复用
• 组合是通过对现有对象进行拼装即组合产生新的具有更复杂的功能，组合体现的是整体和部分，强调的是has-a的关系，是**‘黑盒式’**的代码复用

继承与组合使用场景

• 逻辑上B 是A 的“一种”（a kind of ）

继承 （如 男人 继承 人类）

• 逻辑上A 是B 的“一部分”（a part of）

组合（如 组合 眼 耳 口 鼻   -> 头）

继承与组合区别

• 在继承中，父类的内部细节对子类可见，其代码属于白盒式的复用，调的是is-a的关系，关系在编译期就确定
• 组合中，对象之间的内部细节不可见，其代码属于黑盒式复用。强调的是has-a的关系，关系一般在运行时确定

继承与组合优缺点

继承

优点：

• 支持扩展，通过继承父类实现，但会使系统结构较复杂
• 易于修改被复用的代码

缺点：

• 代码白盒复用，父类的实现细节暴露给子类，破坏了封装性
• 当父类的实现代码修改时，可能使得子类也不得不修改，增加维护难度。
• 子类缺乏独立性，依赖于父类，耦合度较高
• 不支持动态拓展，在编译期就决定了父类

组合

优点：

• 代码黑盒复用，被包括的对象内部实现细节对外不可见，封装性好。
• 整体类与局部类之间松耦合，相互独立。
• 支持扩展
• 每个类只专注于一项任务
• 支持动态扩展，可在运行时根据具体对象选择不同类型的组合对象(扩展性比继承好)

缺点：

• 创建整体类对象时，需要创建所有局部类对象。导致系统对象很多。

函数指针的好处和作用：

好处：简化结构和程序通用性的问题，也是实现面向对象编程的一种途径

作用：

• 实现面向对象编程中的多态性
  
• 回调函数
  

inline函数与宏定义

inline函数是C++引入的机制，目的是解决使用宏定义的一些缺点。

为什么要引入内联函数（内联函数的作用）

用它替代宏定义，消除宏定义的缺点。

宏定义使用预处理器实现，做一些简单的字符替换因此不能进行参数有效性的检测。

• inline 相比宏定义有哪些优越处
  
• inline 函数代码是被放到符号表中，使用时像宏一样展开，没有调用的开销效率很高；
  
• inline 函数是真正的函数，所以要进行一系列的数据类型检查；
  
• inline 函数作为类的成员函数，可以使用类的保护成员及私有成员；
  

inline函数使用的场合

• 使用宏定义的地方都可以使用 inline 函数；
• 作为类成员接口函数来读写类的私有成员或者保护成员；

为什么不能把所有的函数写成 inline 函数

• 函数体内的代码比较长，将导致内存消耗代价；
• 函数体内有循环，函数执行时间要比函数调用开销大；
• 另外类的构造与析构函数不要写成内联函数。

内联函数与宏定义区别

• 内联函数在编译时展开，宏在预编译时展开；
• 内联函数直接嵌入到目标代码中，宏是简单的做文本替换；
• 内联函数有类型检测、语法判断等功能，而宏没有；
• inline 函数是函数，宏不是；
• 宏定义时要注意书写（参数要括起来）否则容易出现歧义，内联函数不会产生歧义；

总结

• 分享了内存管理，内存泄露，智能指针
• 内存泄露检测工具
• 代码中产生段错误的原因
• 内存优化
• 其余小知识点

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好了，本次就到这里

技术是开放的，我们的心态，更应是开放的。拥抱变化，向阳而生，努力向前行。

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