C++unity内存管理理

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-08-28 13:41 标签： unity面试

侯捷先生是两岸著名技术教育者，计算机图书作者、译者、书评人。著有《深入浅出MFC》、《多态与虚拟》、《STL源码剖析》、《无责任书评》三卷，译有众多脍炙人口的高阶技术书籍，包括Meyers所著的“Effective C++”系列。侯捷先生还兼任教职于元智大学（台湾）、同济大学（大陆）、南京大学（大陆）。其著作、讲座影响大陆一代程序员。

本课程带你由语言基本构件至高级分配器的设计与实作，并探及最低阶之 malloc 的内部实现。 “内存是电脑中的 “脑” 吗？CPU才是脑，CPU才是计算机的三魂六魄。但若没有内存，一切只存在于虚无缥缈间，等同于不存在。内存曾经是最宝贵也最昂贵的週边资源，现代程序员无法想像 DOS 时代对内存的锱铢必较。    俱往矣，且看今朝。我们(似乎)有用不完的便宜内存。但表象之下是操作系统和标准库做了大量工作。而如果你开发内存高耗软件，或处于内存受限环境下 (例如嵌入式系统)，就有必要深刻了解操作系统和标准库为你所做的内存管理，甚至需要自行管理内存。 ” ——By 侯捷

1.两岸著名C++ 技术专家侯捷主讲

2.由表及里，深入剖析C++内存管理机制

3.深入浅出，助力全面掌握从C++内存管理原理到应用

C++技术栈工程师，技术爱好者、研究者

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第一讲：C++内存构件

2.内存分配的每一层面.mp4

3.四个层面的基本用法.mp4

38.SBH行为分析-分配+释放之连续动作图解（1）.mp4

39.SBH行为分析-分配+释放之连续动作图解（2）.mp4

40.SBH行为分析-分配+释放之连续动作图解（3）.mp4

41.SBH行为分析-分配+释放之连续动作图解（4）.mp4

（基本类型、 RTTI 、类型特性）



智能指针使得自动、异常安全的对象生存期管理可行。

拥有独有对象所有权语义的智能指针
拥有共享对象所有权语义的智能指针
由所管理的对象的弱引用
拥有严格对象所有权语义的智能指针
提供基于占有者的，混合类型的共享指针和弱指针排序
允许一个对象来创建一个指代本身的shared_ptr
访问指向已销毁对象的weak_ptr时抛出的异常

分配器是封装内存分配策略的类模板。这允许泛型容器从数据自身将内存管理解耦合。

提供关于分配器类型的信息
标签类型，用于选择分配器感知的构造函数重载
用于选择具分配器的构造函数的 对象
检查指定的类型是否支持使用分配器的构造
为多级容器实现的多级分配器

定义于命名空间 pmr

内存资源实现可为 所用的内存分配策略

定义于命名空间 pmr

封装内存资源的类的抽象接口
返回静态的程序范围 ，它使用全局 与 分配和解分配内存
池资源的构造函数选项集合
线程安全的 ，用于管理不同块大小的池中的分配
线程不安全的 ，用于管理不同块大小的池中的分配
仅在销毁资源时释放所分配内存的特殊目的

提供数个工具以创建并访问未初始化存储

将范围内的对象复制到未初始化的内存区域
将指定数量的对象复制到未初始化的内存区域
复制一个对象到以范围定义的未初始化内存区域
复制一个对象到以起点和计数定义的未初始化内存区域
移动一个范围的对象到未初始化的内存区域
移动一定数量对象到未初始化内存区域
在范围所定义的未初始化的内存区域以构造对象
在起始和计数所定义的未初始化内存区域用构造对象
在范围所定义的未初始化内存中用构造对象
在起始和计数所定义的未初始化内存区域以构造对象
销毁范围中一定数量的对象
允许标准算法存储结果于未初始化内存的迭代器
声明一个对象不能被回收
声明一个对象可以被回收
声明该内存区域不含可追踪指针
返回当前的指针安全模式
提供关于类指针类型的信息
从仿指针类型获得裸指针
获得对象的实际地址，即使重载了 & 运算符

在 C/C++ 中，内存管理是一个非常棘手的问题，我们在编写一个程序的时候几乎不可避免的要遇到内存的分配逻辑，这时候随之而来的有这样一些问题：是否有足够的内存可供分配? 分配失败了怎么办? 如何管理自身的内存使用情况? 等等一系列问题。在一个高可用的软件中，如果我们仅仅单纯的向操作去申请内存，当出现内存不足时就退出软件，是明显不合理的。正确的思路应该是在内存不足的时，考虑如何管理并优化自身已经使用的内存，这样才能使得软件变得更加可用。本次项目我们将实现一个内存池，并使用一个栈结构来测试我们的内存池提供的分配性能。最终，我们要实现的内存池在栈结构中的性能，要远高于使用 std::allocator 和

链式栈和列表栈的性能比较

内存池是池化技术中的一种形式。通常我们在编写程序的时候回使用 new delete 这些关键字来向操作系统申请内存，而这样造成的后果就是每次申请内存和释放内存的时候，都需要和操作系统的系统调用打交道，从堆中分配所需的内存。如果这样的操作太过频繁，就会找成大量的内存碎片进而降低内存的分配性能，甚至出现内存分配失败的情况。

而内存池就是为了解决这个问题而产生的一种技术。从内存分配的概念上看，内存申请无非就是向内存分配方索要一个指针，当向操作系统申请内存时，操作系统需要进行复杂的内存管理调度之后，才能正确的分配出一个相应的指针。而这个分配的过程中，我们还面临着分配失败的风险。

所以，每一次进行内存分配，就会消耗一次分配内存的时间，设这个时间为 T，那么进行 n 次分配总共消耗的时间就是 nT；如果我们一开始就确定好我们可能需要多少内存，那么在最初的时候就分配好这样的一块内存区域，当我们需要内存的时候，直接从这块已经分配好的内存中使用即可，那么总共需要的分配时间仅仅只有 T。当 n 越大时，节约的时间就越多。

我们要设计实现一个高性能的内存池，那么自然避免不了需要对比已有的内存，而比较内存池对内存的分配性能，就需要实现一个需要对内存进行动态分配的结构（比如：链表栈），为此，可以写出如下的代码： 

 

 在上面的两段代码中，StackAlloc 是一个链表栈，接受两个模板参数，第一个参数是栈中的元素类型，第二个参数就是栈使用的内存分配器。
 
 

 因此，这个内存分配器的模板参数就是整个比较过程中唯一的变量，使用默认分配器的模板参数为 std::allocator，而使用内存池的模板参数为 MemoryPool。
 
 
std::allocator 是 C++标准库中提供的默认分配器，他的特点就在于我们在 使用 new 来申请内存构造新对象的时候，势必要调用类对象的默认构造函数，而使用 std::allocator 则可以将内存分配和对象的构造这两部分逻辑给分离开来，使得分配的内存是原始、未构造的。
 

 下面我们来实现这个链表栈。
 
 

 
 

 栈的结构非常的简单，没有什么复杂的逻辑操作，其成员函数只需要考虑两个基本的操作：入栈、出栈。为了操作上的方便，我们可能还需要这样一些方法：判断栈是否空、清空栈、获得栈顶元素。
 
 
 // 当栈中元素为空时返回 true
 // 释放栈中元素的所有内存
 

 简单的逻辑诸如构造、析构、判断栈是否空、返回栈顶元素的逻辑都非常简单，直接在上面的定义中实现了，下面我们来实现 clear(), push() 和 pop() 这三个重要的逻辑：
 
 
// 释放栈中元素的所有内存
 // 先析构, 再回收内存
 // 为一个节点分配内存
 // 调用节点的构造函数
 // 出栈操作 返回出栈元素
 

 至此，我们完成了整个模板链表栈，现在我们可以先注释掉 main() 函数中使用内存池部分的代码来测试这个连表栈的内存分配情况，我们就能够得到这样的结果：
 
 

 
 
 

 
 
 

 的条件下，总共花费了近一分钟的时间。
 
 
如果觉得花费的时间较长，不愿等待，则你尝试可以减小这两个值
 

 
 

 本节我们实现了一个用于测试性能比较的模板链表栈，目前的代码如下。在下一节中，我们开始详细实现我们的高性能内存池。
 
 
// T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器,
 // 当栈中元素为空时返回 true
 // 释放栈中元素的所有内存
 // 为一个节点分配内存
 // 调用节点的构造函数
 // 出栈操作 返回出栈结果
 
// 根据电脑性能调整这些值
 

 二、设计内存池
在上一节实验中，我们在模板链表栈中使用了默认构造器来管理栈操作中的元素内存，一共涉及到了 rebind::other, allocate(), dealocate(), construct(), destroy()这些关键性的接口。所以为了让代码直接可用，我们同样应该在内存池中设计同样的接口：
 
 
 // 默认构造, 初始化所有的槽指针
 // 销毁一个现有的内存池
 // 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
 // 销毁指针 p 指向的内存区块
 // 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数
 // 用于存储内存池中的对象槽, 
 // 要么被实例化为一个存放对象的槽, 
 // 要么被实例化为一个指向存放对象槽的槽指针
 // 指向当前内存区块
 // 指向当前内存区块的一个对象槽
 // 指向当前内存区块的最后一个对象槽
 // 指向当前内存区块中的空闲对象槽
 // 检查定义的内存池大小是否过小
 

 在上面的类设计中可以看到，在这个内存池中，其实是使用链表来管理整个内存池的内存区块的。内存池首先会定义固定大小的基本内存区块(Block)，然后在其中定义了一个可以实例化为存放对象内存槽的对象槽（Slot_）和对象槽指针的一个联合。然后在区块中，定义了四个关键性质的指针，它们的作用分别是：
 
 

 currentBlock_: 指向当前内存区块的指针
currentSlot_: 指向当前内存区块中的对象槽
lastSlot_: 指向当前内存区块中的最后一个对象槽
freeSlots_: 指向当前内存区块中所有空闲的对象槽
梳理好整个内存池的设计结构之后，我们就可以开始实现关键性的逻辑了。
 
 

 
 

 
 

 MemoryPool::construct() 的逻辑是最简单的，我们需要实现的，仅仅只是调用信件对象的构造函数即可，因此：
 
 
 

 
 

 MemoryPool::deallocate() 是在对象槽中的对象被析构后才会被调用的，主要目的是销毁内存槽。其逻辑也不复杂：
 
 
// 销毁指针 p 指向的内存区块
 

 
 

 析构函数负责销毁整个内存池，因此我们需要逐个删除掉最初向操作系统申请的内存块：
 
 
// 销毁一个现有的内存池
 // 循环销毁内存池中分配的内存区块
 

 
 

 MemoryPool::allocate() 毫无疑问是整个内存池的关键所在，但实际上理清了整个内存池的设计之后，其实现并不复杂。具体实现如下：
 
 
// 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
 // 如果有空闲的对象槽，那么直接将空闲区域交付出去
 // 如果对象槽不够用了，则分配一个新的内存区块
 // 分配一个新的内存区块，并指向前一个内存区块
 // 填补整个区块来满足元素内存区域的对齐要求
 

 
 

 我们知道，对于栈来说，链栈其实并不是最好的实现方式，因为这种结构的栈不可避免的会涉及到指针相关的操作，同时，还会消耗一定量的空间来存放节点之间的指针。事实上，我们可以使用 std::vector 中的 push_back() 和 pop_back() 这两个操作来模拟一个栈，我们不妨来对比一下这个 std::vector 与我们所实现的内存池在性能上谁高谁低，我们在
 主函数中加入如下代码：
 
 
 

 这时候，我们重新编译代码，就能够看出这里面的差距了：
首先是使用默认分配器的链表栈速度最慢，其次是使用 std::vector 模拟的栈结构，在链表栈的基础上大幅度削减了时间。
 
 
std::vector 的实现方式其实和内存池较为类似，在 std::vector 空间不够用时，会抛弃现在的内存区域重新申请一块更大的区域，并将现在内存区域中的数据整体拷贝一份到新区域中。
 

 最后，对于我们实现的内存池，消耗的时间最少，即内存分配性能最佳，完成了本项目。
 
 

 
 

 本节中，我们实现了我们上节实验中未实现的内存池，完成了整个项目的目标。 这个内存池不仅精简而且高效，整个内存池的完整代码如下：
 
 
 // 销毁一个现有的内存池
 // 循环销毁内存池中分配的内存区块
 // 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
 // 分配一个内存区块
 // 销毁指针 p 指向的内存区块
 // 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数
 // 用于存储内存池中的对象槽
 // 指向当前内存区块
 // 指向当前内存区块的一个对象槽
 // 指向当前内存区块的最后一个对象槽
 // 指向当前内存区块中的空闲对象槽
 // 检查定义的内存池大小是否过小

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