C++基础问题(二)

1.malloc的原理,另外brk系统调用和mmap系统调用的作用

Malloc函数用于动态分配内存。为了减少内存碎片和系统调用的开销,malloc其采用内存池的方式,先申请大块内存作为堆区,然后将堆区分为多个内存块,以块作为内存管理的基本单位。当用户申请内存时,直接从堆区分配一块合适的空闲块。Malloc采用隐式链表结构将堆区分成连续的、大小不一的块,包含已分配块和未分配块;同时malloc采用显示链表结构来管理所有的空闲块,即使用一个双向链表将空闲块连接起来,每一个空闲块记录了一个连续的、未分配的地址。
当进行内存分配时,Malloc会通过隐式链表遍历所有的空闲块,选择满足要求的块进行分配;当进行内存合并时,malloc采用边界标记法,根据每个块的前后块是否已经分配来决定是否进行块合并。

Malloc在申请内存时,一般会通过brk或者mmap系统调用进行申请。其中当申请内存小于128K时,会使用系统函数brk在堆区中分配;而当申请内存大于128K时,会使用系统函数mmap在映射区分配。

2.C++的内存管理

在C++中,虚拟内存分为代码段、数据段、BSS段、堆区、文件映射区以及栈区六部分。
代码段:包括只读存储区和文本区,其中只读存储区存储字符串常量,文本区存储程序的机器代码。
数据段:存储程序中已初始化的全局变量和静态变量
bss 段:存储未初始化的全局变量和静态变量(局部+全局),以及所有被初始化为0的全局变量和静态变量。
堆区:调用new/malloc函数时在堆区动态分配内存,同时需要调用delete/free来手动释放申请的内存。
映射区:存储动态链接库以及调用mmap函数进行的文件映射
:使用栈空间存储函数的返回地址、参数、局部变量、返回值

地址示意图

3.段错误发生原因

段错误通常发生在访问非法内存地址的时候,具体来说分为以下几种情况:
MMU在做逻辑地址到物理地址的转换时发生2次检查
一,检查逻辑地址是否在某个已定义的内存映射区域,这一步通过和mm_struct中,mmap指针所记录的vm_area_struct链表中的每个每个节点所限定的虚拟内存区域比较 实现。vm_area_struct结构中的vm_start和vm_end成员记录该节点所定义的虚拟内存区域的起始/结束地址(逻辑地址)。如果要访问的地址不在任何一个区域中,则说明是一个非法的地址。Linux在搜索vm_area_struct是,不是使用链表,而是使用树结构加速查找速度。
二,MMU得到该地址的页表项,检查页表项中的权限信息,如果操作(读/写)与权限不符,则触发保护异常。

简言之:使用野指针,试图修改字符串常量的内容

4.内存泄漏

内存泄漏(memory leak)是指由于疏忽或错误造成了程序未能释放掉不再使用的内存的情况。内存泄漏并非指内存在物理上的消失,而是应用程序分配某段内存后,由于设计错误,失去了对该段内存的控制,因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的分类:

  1. 堆内存泄漏 (Heap leak)。对内存指的是程序运行中根据需要分配通过malloc,realloc new等从堆中分配的一块内存,再是完成后必须通过调用对应的 free或者delete 删掉。如果程序的设计的错误导致这部分内存没有被释放,那么此后这块内存将不会被使用,就会产生Heap Leak.
  2. 系统资源泄露(Resource Leak)。主要指程序使用系统分配的资源比如 Bitmap,handle ,SOCKET等没有使用相应的函数释放掉,导致系统资源的浪费,严重可导致系统效能降低,系统运行不稳定。
  3. 没有将基类的析构函数定义为虚函数。当基类指针指向子类对象时,如果基类的析构函数不是virtual,那么子类的析构函数将不会被调用,子类的资源没有正确是释放,因此造成内存泄露。

5.new和malloc的区别

1、new分配内存按照数据类型进行分配,malloc分配内存按照指定的大小分配;
2、new返回的是指定对象的指针,而malloc返回的是void*,因此malloc的返回值一般都需要进行类型转化。
3、new不仅分配一段内存,而且会调用构造函数,malloc不会。
4、new分配的内存要用delete销毁,malloc要用free来销毁;delete销毁的时候会调用对象的析构函数,而free则不会。
5、new是一个操作符可以重载,malloc是一个库函数。
6、malloc分配的内存不够的时候,可以用realloc扩容。扩容的原理?new没用这样操作。
7、new如果分配失败了会抛出bad_malloc的异常,而malloc失败了会返回NULL。
8、申请数组时: new[]一次分配所有内存,多次调用构造函数,搭配使用delete[],delete[]多次调用析构函数,销毁数组中的每个对象。而malloc则只能sizeof(int) * n。

6.共享内存相关api

Linux允许不同进程访问同一个逻辑内存,提供了一组API,头文件在sys/shm.h中。
1)新建共享内存shmget

int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);

key:共享内存键值,可以理解为共享内存的唯一性标记。

size:共享内存大小

shmflag:创建进程和其他进程的读写权限标识。

返回值:相应的共享内存标识符,失败返回-1

2)连接共享内存到当前进程的地址空间shmat

void *shmat(int shm_id,const void *shm_addr,int shmflg);

shm_id:共享内存标识符

shm_addr:指定共享内存连接到当前进程的地址,通常为0,表示由系统来选择。

shmflg:标志位

返回值:指向共享内存第一个字节的指针,失败返回-1

3)当前进程分离共享内存shmdt

int shmdt(const void *shmaddr);

4)控制共享内存shmctl

和信号量的semctl函数类似,控制共享内存

int shmctl(int shm_id,int command,struct shmid_ds *buf);

shm_id:共享内存标识符

command: 有三个值

IPC_STAT:获取共享内存的状态,把共享内存的shmid_ds结构复制到buf中。

IPC_SET:设置共享内存的状态,把buf复制到共享内存的shmid_ds结构。

IPC_RMID:删除共享内存

buf:共享内存管理结构体。

7.单线程的方式处理高并发

在单线程模型中,可以采用I/O复用来提高单线程处理多个请求的能力,然后再采用事件驱动模型,基于异步回调来处理事件来

8.右值引用和左值区别

右值引用只能用在即将消亡的临时对象上,与返回的左值相比,减少了一次构造函数及析构函数调用,如

int a(){
  return 1;
}
int b=a();
int &&c=a();

b进行赋值为左值,将a()返回值进行拷贝构造以后对a()析构,c则是对a()的值进行引用,保证在C存活时a()的值也存活。

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