C++学习笔记之内存2

8、你能讲讲C++内存对齐的使用场景吗？

C++内存对齐是指按照一定的规则将数据结构中的数据成员排列在内存中的过程，其目的是为了优化内存访问速度。常见的使用场景包括：

• 减少内存碎片：对齐可以保证结构体或类中的数据成员按照规则排列，避免因为数据成员的大小不一致而导致的内存碎片。
• 提高数据访问速度：由于现代计算机的内存访问是按照一定的块大小进行的，对齐可以保证数据成员按照块的大小进行存储，从而提高内存访问速度。
• 保证跨平台兼容性：不同的平台可能对内存对齐有不同的要求，使用内存对齐可以保证程序在不同平台上的运行效果一致。

需要注意的是，使用内存对齐可能会增加数据结构的大小，从而增加内存的占用。在一些对内存占用要求较高的场景下，需要仔细权衡内存占用和内存访问速度等因素，选择合适的内存对齐方式。

9、内存对齐应用于哪几种数据类型及其对齐原则是什么？

内存对齐通常应用于结构体、联合体和类中的数据成员，以保证数据在内存中的存储效率。

对于结构体、联合体和类中的数据成员，编译器会按照某种规则将它们存放在内存中，以保证各个数据成员之间的距离是整齐的，并且数据成员的地址是一致的。

在进行内存对齐时，通常需要遵守以下三个原则：

• 数据成员的偏移量必须是对齐数的整数倍。对齐数指的是编译器为了满足对齐要求而添加的字节大小。例如，对于4字节对齐的结构体，其对齐数为4，数据成员的偏移量必须是4的整数倍。
• 结构体、联合体和类的大小必须是对齐数的整数倍。即结构体、联合体和类的大小必须是它所包含的最大的数据成员大小的整数倍。例如，如果结构体中最大的数据成员的大小是8字节，对齐数是4，那么结构体的大小必须是8的整数倍，即16字节。
• 结构体中嵌套的结构体或联合体的起始地址必须符合其内部最严格数据成员的对齐要求。

10、你能说说什么是内存对齐吗？

内存对齐是指将数据结构中的每个成员按照一定的规则进行排列，使得每个成员的起始地址相对于该结构的起始地址偏移量为该成员大小的整数倍。这样做的目的是为了让处理器在读取数据时更加高效，因为处理器可以一次性读取多个连续地址上的数据，如果数据不对齐，处理器就需要多次读取，降低了读取速度。

11、那为什么要内存对齐呢

内存对齐是为了提高内存读取效率和数据存储安全而进行的一种处理方式。

当CPU从内存中读取数据时，如果数据没有按照规定的对齐方式进行存储，那么CPU需要分两次或更多次读取内存，这会增加CPU访问内存的时间和系统的开销。因此，内存对齐可以减少CPU访问内存的时间和系统开销，提高系统的效率。

此外，对于结构体等复合类型数据的内存存储，内存对齐还可以保证数据存储的安全性。如果数据没有按照规定的对齐方式存储，可能会导致数据被拆分存储在两个内存块中，这样会增加访问内存的复杂度，并且在多线程环境下可能会发生数据竞争的问题，导致数据的不一致性。而通过内存对齐，可以避免这些问题的发生，提高数据存储的安全性。

12、能否举一个内存对齐的例子呢？

当某个结构体成员变量的类型与起始地址不是它大小的整数倍时，就需要字节对齐。以下是一个字节对齐的例子：

struct Example {
  char a;     // 占用 1 个字节
  int b;      // 占用 4 个字节
  double c;   // 占用 8 个字节
  char d[3];  // 占用 3 个字节
};

在这个例子中，a 变量占用了 1 个字节，b 变量占用了 4 个字节，c 变量占用了 8 个字节，d 数组占用了 3 个字节。如果这个结构体按照自然对齐（默认情况下的对齐方式）来分配内存，那么变量的内存布局如下所示：

| 1字节 |   3字节   | 4字节 | 8字节 |
|-------|-----------|-------|-------|
|   a   |   [pad]   |   b   |   c   |
|       |   [pad]   |       |       |
|       |   [pad]   |       |       |
|       |     d     |       |       |

在这个布局中，a 变量的内存占用了 1 个字节，与其大小相等。但是，b 变量的内存占用了 4 个字节，虽然它只需要占用 4 字节，但是却占用了 8 字节的内存，多出了 4 个字节。这是因为在默认情况下，编译器会为 b 变量分配 4 个字节的内存，并在它后面填充 3 个字节的 padding，以保证变量的地址是 8 的倍数，从而提高内存访问的效率。

同理，c 变量的内存占用了 8 个字节，与其大小相等，d 数组的内存占用了 3 个字节，与其大小相等，但是为了保证结构体占用的内存是 8 的倍数，它后面填充了 5 个字节的 padding。

13、你知道C++内存分配可能会出现哪些问题吗？

• 内存泄漏：在使用完堆上的内存后没有及时释放，导致程序运行过程中不断地占用内存。
• 内存溢出：在申请内存时超出了操作系统或程序所能提供的内存上限，导致程序崩溃。
• 悬垂指针：指向已经被释放的内存区域，导致程序访问非法内存而崩溃。
• 双重释放：在释放内存时出现重复释放同一内存区域的情况，导致程序崩溃。
• 内存访问越界：程序访问了已经超出了申请内存空间的范围，导致程序崩溃。

为了避免这些问题的发生，我们在编写C++程序时需要遵循一些规则，如正确使用new/delete、malloc/free等内存管理函数，合理地设计数据结构等。此外，还可以使用一些工具来辅助检测内存相关的问题，例如Valgrind、GDB等。

14、说一说指针参数是如何传递内存？

指针参数在函数调用时传递的是地址，也就是指向变量内存地址的指针。因此，在函数中通过指针参数修改变量的值，其实就是通过地址间接修改了变量的值。指针参数的传递是按值传递的，也就是传递的是指针变量的值，也就是地址。函数中的指针参数是函数调用者的一个变量地址的副本，也就是指针变量的值的副本，因此修改指针的值不会影响原始的指针变量。但是，修改指针所指向的内存地址中的内容，会直接影响原始变量的值。

举个例子，假设有以下代码：

void func(int* p) {
    *p = 10;
    p = NULL;
}


int main() {
    int a = 0;
    int* p = &a;
    func(p);
    printf("%d
", a);
    printf("%p
", p);
    return 0;
}

在调用func函数时，将指向a的指针p传递给函数。在函数中，将p指向的内存地址中的内容修改为10。但是，对p赋值为NULL只会影响函数内部的p指针副本，不会影响函数外部的p指针变量。因此，函数结束后，p仍然指向a的地址。最后输出a的值为10，p的值为a的地址。

15、什么是野指针？如何预防呢？

野指针是指指向已经释放的内存空间的指针，或者指向未被分配的内存空间的指针。当程序试图使用野指针时，就可能会导致程序崩溃或者出现意想不到的结果。

为了预防野指针问题，可以采取以下措施：

• 初始化指针：在定义指针时，尽量立即进行初始化，可以将指针赋值为NULL或nullptr。这样即使在后续使用过程中出现了未被分配的指针，也不会成为野指针。
• 及时释放指针：在使用完指针后，及时调用delete或free等函数进行内存释放，这样就可以防止野指针的产生。
• 置空指针：在释放指针的内存之后，及时将指针赋值为NULL或nullptr，以防止指针继续被使用。
• 避免悬挂指针：当一个指针被释放之后，如果仍然指向原来的内存区域，那么在其他代码中可能会误认为该内存区域仍然可用，从而出现悬挂指针问题。为了避免这种情况，可以在释放指针时将其指向的内存区域清零或者赋值为特定的值，这样就可以避免出现悬挂指针的问题。

16、内存耗尽怎么办？

• 使用内存池：内存池是一种管理内存分配和释放的技术，它可以预分配一定数量的内存，并将其缓存起来，当程序需要分配内存时，就直接从缓存中取出一块内存使用。
• 优化算法：尽可能地避免不必要的内存分配，可以考虑使用一些高效的算法和数据结构，如缓存、哈希表等。
• 调整系统参数：可以通过修改操作系统的一些参数来增加可用内存，如增加虚拟内存、减少进程数量等。
• 释放不必要的内存：在程序运行过程中，及时释放不再使用的内存，避免内存浪费。

17、什么是内存碎片，怎么避免内存碎片？

内存碎片是指内存中存在大量不连续的、小块的未使用内存空间，这些空间不能被分配给大块的内存请求，从而导致系统无法满足内存请求的情况。内存碎片可能会导致程序性能下降，甚至系统崩溃。

为了避免内存碎片，可以采取以下措施：

• 尽量避免频繁的内存分配和释放，可以采用对象池等技术来管理内存。
• 使用内存池技术，对一定大小范围内的内存进行预分配，避免频繁的内存分配和释放。
• 使用动态分配内存的时候，尽量分配固定大小的块，而不是小块，避免出现大量的内存碎片。
• 使用内存对齐技术，可以减少内存碎片的发生。
• 定期进行内存整理，将多个小的内存块合并成一个大的内存块。
• 对于长时间运行的应用程序，可以考虑使用内存映射文件等技术，将数据保存在文件中，而不是内存中，避免内存碎片的发生。

18、简单介绍一下C++五大存储区

• 代码区（Code Segment）：存储程序执行的代码。
• 全局区（Global Segment/Data Segment）：存储全局变量和静态变量，包括未初始化和已初始化的变量。
• 堆区（Heap Segment）：由程序员手动申请和释放的内存空间。
• 栈区（Stack Segment）：存储函数的参数值、局部变量等。
• 常量区（Constant Segment）：存储常量数据，如字符串常量。

这五个存储区都有其特定的作用和生命周期，在 C++ 编程中需要了解清楚它们的特点，合理地利用它们，才能编写出高效可靠的程序。