C++学习笔记之内存3

19、内存池的作用及其实现方法

内存池是一种常见的内存管理技术，它的作用是提高内存的利用率，减少内存碎片，以及提高内存分配和释放的效率。

内存池的实现方法一般有两种：

1. 预分配固定大小的内存块，当需要分配内存时，从内存池中取出一个已经分配好的内存块，使用完之后再将其归还到内存池中。
2. 动态分配内存，但是将内存分为大小相等的块，当需要分配内存时，从内存池中取出一个大小合适的内存块，使用完之后再将其归还到内存池中。

这两种方法的优缺点如下：

1. 预分配固定大小的内存块：

优点：* 分配和释放内存非常快，因为内存块的大小是固定的。

• 可以避免内存碎片的问题，因为内存块的大小是固定的，不会出现大小不一的内存块。

缺点：* 浪费空间，因为预分配的内存块可能并不全部被使用，这些未使用的内存块就浪费了。

• 不够灵活，因为内存块的大小是固定的，如果某些对象需要更大或更小的内存块，就需要重新设计内存池的大小和结构。

2. 动态分配内存：

优点：* 更灵活，因为内存块的大小可以根据需要动态调整。

• 更节省空间，因为只分配需要的内存块。

缺点：* 分配和释放内存较慢，因为需要动态分配和回收内存。

• 可能会出现内存碎片的问题，因为内存块的大小不固定，容易出现大小不一的内存块，造成内存碎片。

20、如何构造一个类，使得只能在堆上或者在栈上分配内存？

构造一个类，使得只能在堆上或者在栈上分配内存，可以通过重载 new 和 delete 运算符来实现。

对于栈上分配内存，可以重载 new 和 delete 运算符，并将 new 运算符重载为返回地址。

对于堆上分配内存，可以使用 placement new 运算符手动调用构造函数，并将返回的指针作为类的指针。在堆上分配内存时，需要重载 new 和 delete 运算符来调用 malloc 和 free 进行内存分配和释放。同时，需要使用类的 placement new 运算符来调用构造函数，以确保对象被正确初始化，并在析构时调用类的析构函数。

下面是一个示例代码，演示如何将类的内存分配限制为堆上或者栈上：

#include 
#include 
#include 


class MyClass {
public:
    // 重载 new 运算符，只允许在堆上分配内存
    void* operator new(std::size_t size) {
        void* ptr = std::malloc(size);
        if (!ptr) {
            throw std::bad_alloc();
        }
        return ptr;
    }


    // 重载 delete 运算符，释放在堆上分配的内存
    void operator delete(void* ptr) {
        std::free(ptr);
    }


    // 重载 placement new 运算符，只允许在栈上分配内存
    void* operator new(std::size_t size, void* ptr) {
        return ptr;
    }


    // 构造函数
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructor
";
    }


    // 析构函数
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destructor
";
    }
};


int main() {
    // 在堆上分配内存
    MyClass* p1 = new MyClass();
    delete p1;


    // 在栈上分配内存
    alignas(MyClass) char buffer[sizeof(MyClass)];
    MyClass* p2 = new(buffer) MyClass();
    p2->~MyClass();

    return 0;
}

在上面的示例代码中，operator new 和 operator delete 运算符被重载，以限制内存分配在堆上。同时，使用了 placement new 运算符，手动调用构造函数，以便在栈上分配内存。

21、物理内存和虚拟内存的原理和区别分别是什么？

物理内存是指计算机中实际存在的内存，它由硬件组成，是直接可见的。而虚拟内存是操作系统提供的一种机制，它将计算机的硬盘空间作为内存的一部分来使用，使得程序可以访问比物理内存更大的内存空间。

物理内存的原理是通过内存条等硬件设备将数据存储在RAM中，它的访问速度非常快。当物理内存不足时，操作系统会将一部分内存中的数据转移到硬盘空间中，这就是虚拟内存的原理。虚拟内存将硬盘空间中的一部分作为内存空间来使用，通过虚拟内存地址与物理内存地址之间的映射关系，使得程序可以访问比物理内存更大的内存空间。

物理内存和虚拟内存的区别主要有以下几点：

• 大小不同：物理内存的大小受限于计算机硬件的配置，而虚拟内存的大小受限于硬盘的空间大小。
• 访问速度不同：物理内存的访问速度非常快，而虚拟内存的访问速度相对较慢。
• 内存管理方式不同：物理内存由操作系统直接管理，而虚拟内存则是由操作系统和硬件一起管理的。
• 分配方式不同：物理内存的分配是静态的，一般在启动时就已经分配好了，而虚拟内存的分配是动态的，操作系统会根据需要动态地分配虚拟内存。

22、C++中变量的存储位置？程序的内存分配？

在C++中，变量的存储位置可以分为以下几种：

• 栈（stack）：用于存储函数的局部变量和参数等。当函数被调用时，局部变量和参数等被分配在栈上，当函数返回时，这些变量就会被自动销毁。
• 堆（heap）：用于动态分配内存，比如new、malloc等函数分配的内存就位于堆上。需要手动管理内存的生命周期，使用完后需要调用delete或free等函数来释放内存，否则就会发生内存泄漏。
• 全局区（data segment）：用于存储全局变量、静态变量和常量等。这些变量的生命周期从程序开始到程序结束，它们位于程序的数据段中，内存由系统自动管理。
• 代码区（code segment）：用于存储程序的代码。

程序的内存分配是由操作系统负责的，每个进程都有自己的地址空间，这个地址空间包括代码区、数据区和堆栈区。当程序需要分配内存时，操作系统会在进程的地址空间中为其分配一块空闲的内存。虚拟内存是一种将主存看作磁盘存储器扩展的技术，它可以将硬盘空间当作主存来使用。操作系统会将一部分主存空间作为虚拟内存，当程序需要分配内存时，操作系统会将一部分虚拟内存映射到主存中，程序就可以使用这些虚拟内存了。如果程序需要更多的内存，操作系统会将其余的虚拟内存映射到硬盘上，这样程序就可以继续使用虚拟内存了，这就是虚拟内存的原理。

物理内存是计算机中实际存在的内存，它是由硬件提供的，而虚拟内存则是由操作系统提供的一种扩展内存的技术，它利用硬盘空间来扩展主存空间，从而使得计算机可以运行更多的程序和更大的程序。在操作系统看来，虚拟内存和物理内存是两个不同的概念，它们之间的区别在于虚拟内存是一种抽象的概念，而物理内存是实际存在的硬件。

23、静态内存分配和动态内存分配的区别？

• 静态内存分配是指在程序编译期间，由编译器在编译期间为变量分配内存，这些内存空间在程序运行期间一直存在，直到程序结束才会被释放。静态内存分配适用于一些固定大小、生命周期长、不需要频繁创建和释放的变量，如全局变量和静态局部变量等。静态内存分配的内存大小在编译时确定，因此不能动态调整内存大小。
• 动态内存分配是指在程序运行期间，根据需要动态地为变量分配内存。动态内存分配由程序员手动管理，需要使用new操作符申请内存，使用delete操作符释放内存。动态内存分配适用于生命周期不确定、大小不固定、需要频繁创建和释放的变量。动态内存分配的优势是可以动态调整内存大小，但需要程序员自行管理内存分配和释放，如果不当使用可能会造成内存泄漏和内存溢出等问题。

总之，静态内存分配和动态内存分配在不同的场景下有各自的优势和劣势，程序员需要根据实际情况选择合适的内存分配方式。

24、什么是段错误？什么时候发生段错误？

段错误（Segmentation fault）是指程序试图访问非法的内存地址，或试图对没有写权限的内存地址进行写操作时产生的错误。它是一种常见的运行时错误，通常由于指针操作不当或者动态内存分配不当等原因引起。

具体来说，当程序访问一个未映射的地址、非法地址、只读地址或已释放的地址，或者当程序试图使用空指针访问内存时，就会触发段错误。

除此之外，还有一些其他的原因也会导致段错误，比如堆栈溢出、缓冲区溢出等。

在出现段错误时，操作系统会发送一个信号（SIGSEGV）给进程，导致程序崩溃或者被操作系统杀死。为了避免段错误的发生，开发人员需要注意程序中所有指针和内存操作的合法性，确保程序不会访问非法地址或已释放的地址。另外，对于动态内存的分配和释放，也需要谨慎处理，防止出现内存泄漏或者重复释放等问题。

25、内存块太小导致malloc和new返回空指针，该怎么处理？

当我们调用malloc或new分配内存时，如果请求的内存块大小过大，超过了系统可用的内存空间，则会返回一个空指针。同样地，如果请求的内存块大小过小，系统也无法为其分配足够的内存空间，也会导致返回空指针。这个空指针表示系统无法满足我们的内存请求。因此，我们需要在代码中对此进行处理，以确保程序的健壮性和稳定性。

针对内存块太小的情况，我们可以考虑减小内存块的分配单位或者增加可用内存大小。比如，可以将分配单位改为字节级别，或者增加系统可用的物理内存或虚拟内存空间。

当然，如果我们确定程序需要的内存大小是有限的，可以考虑预先分配一定的内存池或缓存池，以避免内存块太小的问题。此外，如果程序只需要在某些特定的场景下使用内存，可以通过惰性初始化等方式来避免在程序启动时分配大量的内存空间。

26、你知道程序可执行文件的结构吗？

• 头部信息：包含文件格式、目标平台、入口点地址等信息。
• 代码段：存放程序的指令集，包括可执行代码和只读数据，通常是机器指令的二进制表示。
• 数据段：存放程序的静态变量和全局变量，包括可读写数据和只读数据，通常是程序中定义的变量和常量。
• 栈：存放函数的局部变量和函数调用的上下文信息，以及函数参数等信息。栈的大小在程序运行时动态变化，通常由操作系统或者运行时库进行管理。
• 堆：存放动态分配的内存，由程序通过malloc或new等操作进行申请和释放。

在不同的操作系统和编译器下，程序可执行文件的结构可能会有所不同，但通常包含以上几个部分。