C++中低級(jí)內(nèi)存操作

C++相較于C有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，那就是你不需要過多地?fù)?dān)心內(nèi)存管理。如果你使用面向?qū)ο蟮木幊谭绞?#xff0c;你只需要確保每個(gè)獨(dú)立的類都能妥善地管理自己的內(nèi)存。通過構(gòu)造和析構(gòu)，編譯器會(huì)幫助你管理內(nèi)存，告訴你什么時(shí)候需要進(jìn)行內(nèi)存操作。將內(nèi)存管理隱藏在類中顯著提高了可用性，這一點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)庫類中得到了很好的體現(xiàn)。

然而，在某些應(yīng)用程序或遺留代碼中，你可能會(huì)遇到需要更低級(jí)別地操作內(nèi)存的情況。無論是出于遺留代碼、效率、調(diào)試還是好奇心，了解如何操作原始字節(jié)總是有幫助的。

指針

C++編譯器會(huì)使用指針的聲明類型來允許你進(jìn)行指針?biāo)阈g(shù)。如果你聲明了一個(gè)指向整數(shù)的指針并將其增加1，那么這個(gè)指針在內(nèi)存中前進(jìn)的距離是整數(shù)的大小，而不是一個(gè)單一的字節(jié)。這種操作對(duì)數(shù)組最有用，因?yàn)閿?shù)組包含的數(shù)據(jù)是類型一致且在內(nèi)存中連續(xù)的。

例如，假設(shè)你在自由存儲(chǔ)區(qū)聲明了一個(gè)整數(shù)數(shù)組：

int* myArray { new int[8] };

你可能已經(jīng)熟悉了以下用于設(shè)置索引為2的值的語法：

myArray[2] = 33;

通過使用指針?biāo)阈g(shù)，你也可以使用以下等效的語法，該語法獲取到myArray“向前兩個(gè)整數(shù)”處的內(nèi)存的指針，然后解引用它以設(shè)置該值：

*(myArray + 2) = 33;

作為訪問單個(gè)元素的另一種語法，指針?biāo)阈g(shù)看起來可能不太吸引人。但其真正的力量在于，像myArray+2這樣的表達(dá)式仍然是一個(gè)指向整數(shù)的指針，因此可以表示一個(gè)更小的整數(shù)數(shù)組。

讓我們通過一個(gè)使用寬字符串的例子來看看。寬字符串支持所謂的Unicode字符，以表示例如日語字符串。wchar_t類型是一個(gè)可以容納這種Unicode字符的字符類型，并且通常比char要大；也就是說，它不僅僅是一個(gè)字節(jié)。要告訴編譯器一個(gè)字符串字面量是一個(gè)寬字符串字面量，可以在其前面加上一個(gè)L。

例如，假設(shè)你有以下寬字符串：

const wchar_t* myString { L"Hello, World" };

進(jìn)一步假設(shè)你有一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)接受一個(gè)寬字符串并返回一個(gè)包含輸入字符串大寫版本的新字符串：

wchar_t* toCaps(const wchar_t* text);

請(qǐng)記住，C風(fēng)格的字符串是以零結(jié)尾的，即它們的最后一個(gè)元素包含\0。因此，沒有必要在函數(shù)中添加一個(gè)大小參數(shù)來指定輸入字符串的長度。該函數(shù)只需不斷地迭代字符串的各個(gè)字符，直到遇到\0字符為止。

通過將myString傳遞給toCaps()函數(shù)，你可以將其全部轉(zhuǎn)換為大寫。然而，如果你只想部分地大寫化myString，你可以使用指針?biāo)阈g(shù)來僅引用字符串的后一部分。下面的代碼通過僅向指針加7來調(diào)用toCaps()函數(shù)，以處理寬字符串中的“World”部分，盡管wchar_t通常超過1個(gè)字節(jié)：

toCaps(myString + 7);

另一個(gè)有用的指針?biāo)阈g(shù)應(yīng)用涉及到減法。從同一類型的另一個(gè)指針中減去一個(gè)指針會(huì)給你兩個(gè)指針之間指向類型的元素?cái)?shù)量，而不是它們之間的絕對(duì)字節(jié)數(shù)。

自定義內(nèi)存管理

在你將遇到的99%（有人可能會(huì)說100%）的情況中，C++中的內(nèi)置內(nèi)存分配功能是足夠的。在幕后，new和delete完成了以適當(dāng)大小的塊分配內(nèi)存、維護(hù)可用內(nèi)存區(qū)域列表以及在刪除時(shí)將內(nèi)存塊釋放回該列表的所有工作。但是，當(dāng)資源約束非常緊張，或者在非常特殊的條件下，例如管理共享內(nèi)存，實(shí)施自定義內(nèi)存管理可能是一個(gè)可行的選項(xiàng)。不用擔(dān)心，這并不像聽起來那么可怕。

基本上，自己管理內(nèi)存意味著類會(huì)分配一大塊內(nèi)存，并根據(jù)需要將該內(nèi)存分配出去。這種方法有什么好處呢？管理自己的內(nèi)存可能會(huì)減少開銷。當(dāng)你使用new來分配內(nèi)存時(shí)，程序還需要預(yù)留一小部分空間以記錄分配了多少內(nèi)存。這樣，當(dāng)你調(diào)用delete時(shí)，可以釋放適當(dāng)數(shù)量的內(nèi)存。對(duì)于大多數(shù)對(duì)象，開銷比分配的內(nèi)存小得多，因此影響甚微。然而，對(duì)于小對(duì)象或有大量對(duì)象的程序，開銷可能會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)你自己管理內(nèi)存時(shí)，你可能會(huì)提前知道每個(gè)對(duì)象的大小，因此你可能能夠避免每個(gè)對(duì)象的開銷。對(duì)于大量的小對(duì)象來說，差異可能是巨大的。

執(zhí)行自定義內(nèi)存管理需要重載new和delete操作符。

垃圾收集

在支持垃圾收集的環(huán)境中，程序員很少（如果有的話）明確釋放與對(duì)象關(guān)聯(lián)的內(nèi)存。相反，不再有任何引用的對(duì)象將在某個(gè)時(shí)候被運(yùn)行時(shí)庫自動(dòng)清理。垃圾收集沒有像在C#和Java中那樣內(nèi)置到C++語言中。在現(xiàn)代C++中，你使用智能指針來管理內(nèi)存，而在遺留代碼中，你將看到通過new和delete在對(duì)象級(jí)別進(jìn)行內(nèi)存管理。

諸如shared_ptr這樣的智能指針提供了與垃圾收集內(nèi)存非常相似的東西；也就是說，當(dāng)某一資源的最后一個(gè)shared_ptr實(shí)例被銷毀時(shí)，該資源也會(huì)在那個(gè)時(shí)刻被銷毀。在C++中實(shí)現(xiàn)真正的垃圾收集是可能但不容易的，但釋放自己從釋放內(nèi)存的任務(wù)中可能會(huì)引入新的問題。

標(biāo)記-清除垃圾收集

一種垃圾收集的方法被稱為“標(biāo)記-清除”（Mark and Sweep）。在這種方法下，垃圾收集器會(huì)周期性地檢查程序中的每一個(gè)指針，并標(biāo)注哪些內(nèi)存仍然在使用中。在周期結(jié)束時(shí)，任何沒有被標(biāo)記的內(nèi)存被認(rèn)為是不再使用的，并會(huì)被釋放。在C++中實(shí)現(xiàn)這樣的算法并不簡單，如果做錯(cuò)了，可能比使用delete更容易出錯(cuò)！

盡管在C++中已經(jīng)有了安全且簡單的垃圾收集機(jī)制的嘗試，但即使有了完美的C++垃圾收集實(shí)現(xiàn)，也不一定適用于所有應(yīng)用程序。垃圾收集的缺點(diǎn)包括：

• 當(dāng)垃圾收集器正在運(yùn)行時(shí)，程序可能變得無響應(yīng)。
• 在使用垃圾收集器的情況下，你會(huì)遇到所謂的“非確定性析構(gòu)函數(shù)”。因?yàn)橐粋€(gè)對(duì)象在被垃圾收集之前不會(huì)被銷毀，所以析構(gòu)函數(shù)在對(duì)象離開其作用域時(shí)不會(huì)立即執(zhí)行。這意味著，由析構(gòu)函數(shù)完成的資源清理（例如關(guān)閉文件、釋放鎖等）直到未來某個(gè)不確定的時(shí)間才會(huì)被執(zhí)行。

編寫垃圾收集機(jī)制是非常困難的。你很可能會(huì)做錯(cuò)，而且很可能會(huì)很慢。因此，如果你確實(shí)想在你的應(yīng)用程序中使用垃圾收集內(nèi)存，我強(qiáng)烈建議你研究現(xiàn)有的專門的垃圾收集庫，并重用它們。

對(duì)象池

垃圾收集就像是為野餐購買盤子，并將用過的盤子留在院子里，以便某人在某個(gè)時(shí)候?qū)⑺鼈儞炱饋聿⑷拥??？隙ㄓ懈h(huán)保的內(nèi)存管理方法。對(duì)象池就是回收的等價(jià)物。你購買了一定數(shù)量的盤子，使用過一個(gè)盤子后，你將其清洗，以便以后可以再次使用。

對(duì)象池是理想的解決方案，適用于你需要在一段時(shí)間內(nèi)多次使用相同類型的多個(gè)對(duì)象，并且每次創(chuàng)建都會(huì)產(chǎn)生開銷的情況。