千万不要错过的后端[纯干货]面试知识点整理 I I

千万不要错过的后端【纯干货】面试知识点整理 I I

c++内存管理

上次分享整理的面试知识点 I , 今天我们来继续分享面试知识点整理 II

linux kernel 内核空间、内存管理、进程管理设备、驱动虚拟文件系统(vfs) 内核空间是受保护的,用户不能对内核空间读写,否则会出现段错误
环境变量(env) PATH
命令行参数 char *agrv[]
栈区⬇️ 函数的返回地址,返回值,参数,局部变量
共享库(映射区)⬇️ 调用动态库,或者mmap函数进行文件映射
堆区⬆️ 用new/malloc申请的内存,同时需要适用delete/free来释放采用链式储存结构
.bss区 未初始化的全局变量和静态变量以及 初始化为 0 的 全局变量和静态变量编译时就已经分配了空间
.data区 已初始化的全局变量和静态变量编译时就已经分配了空间
.text 1、只读存储区 – 常量,const全局变量2、文本区 – 程序代码,机器代码
0-4k保护区
#include<stdio.h>

int a;    //未初始化全局区 .bss
int b=1;    //已初始化全局区  .data
static int c=2;    //已初始化全局区  .data
const int d=3;    //只读数据段,也叫文字常量区 ro.data, d的值不能被修改
int main(void)
{
    int e=4;    //栈区
    static int f=5;    //已初始化全局区
    const int g=6;    //栈区,不能通过变量名修改其值,但可通过其地址修改其值
    int *p=malloc(sizeof(int))    //指针变量p在栈区,但其所指向的4字节空间在堆区
    char *str="abcd";    //字符串“abcd”存在文字常量区,指针变量str在栈区,存的是“abcd”的起始地址
    return 0;
}

内存泄露及分类

img

内存泄漏,是由于疏忽或错误造成程序未能释放掉不再使用的内存。内存泄漏,并不是指内存内存再物理地址上的消失,而是应用程序分配某段内存后,失去了对该段内存的控制,因而造成内存的浪费。

  • 一般情况是new/malloc 后,没有及时delete/free释放内存,判断为内存泄露
  • linux中可以使用valgrind来检测内存泄漏

内存泄漏的分类:

  • 堆内存泄漏 — new/malloc 后 没有delete/free掉
  • 系统资源泄漏 — 系统分配的资源,没有用指定的函数释放掉,导致系统资源的浪费,严重影响系统性能,如:socket,bitmap,handle
  • 没有将父类的析构函数定义为虚函数 — 父类指针指向子类对象的时候,释放内存的时候,若父类的析构函数不是virtual的话,子类的内存是不会得到释放的,因此会内存泄漏

c++中是如何处理内存泄漏的:

使用valgrind,mtrace来检测内存泄漏

避免内存泄漏:

1.事前预防型。如智能指针等。 2.事后查错型。如泄漏检测工具。

智能指针

使用智能指针,智能指针会自动删除被分配的内存,他和普通指针类似,只是不需要手动释放指针,智能指针自己管理内存释放,不用担心内存泄漏问题

智能指针有:

  • auto_ptr
  • unique_ptr
  • shared_ptr
  • weak_ptr

其中auto_ptr c++11已经被弃用了

unique_ptr

独占的智能指针,只能有一个对象拥有所有权,独占指针的是自己管理内存的,指针存在于栈空间,开辟的内存在堆空间,这里的堆空间是和智能指针绑定的,智能指针随着函数结束被销毁之前,智能指针会先去把堆里面的内存销毁

其中涉及

  • move函数 – 可以使用move函数来转移所有权,转移所有权后,原来的指针就无权访问

  • reset函数 – 可以用reset函数来重置所有权,会把之前的对象所有权释放掉,重新创建一个所有权对象

  • make_unique – 快速的创建一个unique_ptr智能指针的对象 如 auto myptr = make_unique<person>();

如果希望只有一个智能指针管理资源 就使用 unique_ptr

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

using namespace std;

struct person
{
    ~person()
    {
        cout<<"~person"<<endl;
    }
    string str;
};

unique_ptr<person> test()
{
    return unique_ptr<person> (new person);
}

int main()
{
    //unique_ptr is ownership 
    unique_ptr<person> p = test();
    p->str = "hello world";

    unique_ptr<person> p2 = move(p);  //可以使用move函数来转移所有权,转移所有权后,原来的指针就无权访问
    if(!p)
    {
        cout<<"p == null" <<endl;
    }

    if(p2)
    {
        cout<<"p2 have ownership"<<endl;
        cout<<p2->str<<endl;
    }

    p2.reset(new person);//可以用reset函数来重置所有权,会把之前的对象所有权释放掉,重新创建一个所有权对象
    if(p2->str.empty())
    {
        cout<<"str is null"<<endl;
    }

     return 0;
 }

shared_ptr

共享的智能指针,shared_ptr使用引用计数(use_count方法),每个shared_ptr的拷贝都指向同一块内存,在最后一个shared_ptr被析构的时候,内存才会被释放

  • shared_ptr 是引用计数的方式,使用use_count查看计数

  • make_shared 快捷创建 shared_ptr

使用函数返回自己的shared_ptr时,需要继承enable_shared_from_this类,使用shared_from_this函数进行返回

注意事项:

  • 不要将this指针作为返回值

  • 要避免循环引用

  • 不要再函数实参种创建shared_ptr,在调用函数之前先定义以及初始化它

  • 不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr

希望多个指针管理同一个资源就使用shared_ptr

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

using namespace std;

struct person
    :enable_shared_from_this<person>{
    string str;
    void show()
    {
        cout<<str<<endl;
    }
    ~person()
    {
        cout<<"~person"<<endl;
    }
    shared_ptr<person> getshared()
    {
        return shared_from_this();
    }
};

int main()
{
    #if 0
    shared_ptr<person> ptr(new person);
    cout<< ptr.use_count()<<endl;

    shared_ptr<person> ptr2 = ptr;
    cout<< ptr.use_count()<<endl;

    shared_ptr<person> a = make_shared<person>();
    cout<< a.use_count()<<endl;
    a = ptr2;
    cout<< ptr.use_count()<<endl;


    shared_ptr<person> mm = a->getshared();

    #endif

    shared_ptr<person> ptr;
    {
        shared_ptr<person> ptr2(new person);
        ptr2->str = "hello";

        ptr = ptr2->getshared();    
        cout<< ptr.use_count()<<endl;
    }
    ptr->show();

    return 0;
}

weak_ptr

弱引用的智能指针

是用来监视shared_ptr的,不会使用计数器加1,也不会使用计数器减1,主要是为了监视shared_ptr的生命周期,更像是shared_ptr的一个助手。weak_ptr还可以用来返回this指针和解决循环引用的问题。

shared_ptr会有循环引用的问题 ,解决方式为 把类中的shared_ptr 换成 weak_ptr即可

struct ListNode
{
    std::shared_ptr<ListNode> _next;//std::weak_ptr<ListNode> _next; 就可以解决
    std::shared_ptr<ListNode>  _prev;//std::weak_ptr<ListNode> _pre; 就可以解决

    ~ListNode()
    {
        cout << "~ListNode()" << endl;
    }
};
void test_shared_ptr_cycleRef()
{
    std::shared_ptr<ListNode> cur(new ListNode);
    std::shared_ptr<ListNode> next(new ListNode);

    cur->_next = next;
    next->_prev = cur;

}
int main()
{
    test_shared_ptr_cycleRef();
    system("pause");
    return 0;
}

例如上述代码案例

void shared_ptr_cycleRef(){
    std::shared_ptr<LISTNODE> cur LISTNODE;
    std::shared_ptr<LISTNODE> next LISTNODE;

     cur->_next = next;
     next->_pre = cur;
}

Cur 和 next 存在循环引用,他们的引用计数都变为 2

出了作用域之后,cur 和 next 被销毁,引用计数减 1

因此要释放cur , 就需要释放next 的 _pre,要释放next , 就需要释放cur 的 _next

内存泄漏检测工具

valgrind内存检测工具

valgrind的官方网址是:http://valgrind.org

valgrind被设计成非侵入式的,它直接工作于可执行文件上,因此在检查前不需要重新编译、连接和修改你的程序。要检查一个程序很简单

命令如下: valgrind --tool=tool_name program_name

  • 做内存检查: valgrind --tool=memcheck ls -l
  • 检查内存泄漏: valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes ls -l

valgrind有如下几个工具

memcheck

memcheck 探测程序中内存管理存在的问题。

它检查所有对内存的读/写操作,并截取所有的malloc/new/free/delete调用。因此memcheck工具能够探测到以下问题:

Memcheck 工具主要检查下面的程序错误:

  • 使用未初始化的内存 (Use of uninitialised memory)

  • 使用已经释放了的内存 (Reading/writing memory after it has been free’d)

  • 使用超过 malloc分配的内存空间(Reading/writing off the end of malloc’d blocks)

  • 对堆栈的非法访问 (Reading/writing inappropriate areas on the stack)

  • 申请的空间已经释放释放,即内存泄漏 (Memory leaks – where pointers to malloc’d blocks are lost forever)

  • malloc/free/new/delete申请和释放内存的匹配(Mismatched use of malloc/new/new [] vs free/delete/delete [])

  • src和dst的重叠(Overlapping src and dst pointers in memcpy() and related functions)

cachegrind

cachegrind 是一个cache剖析器。

它模拟执行CPU中的L1, D1和L2 cache,

因此它能很精确的指出代码中的cache未命中。

它可以打印出cache未命中的次数,内存引用和发生cache未命中的每一行 代码,每一个函数,每一个模块和整个程序的摘要。

若要求更细致的信息,它可以打印出每一行机器码的未命中次数。

在x86和amd64上, cachegrind通过CPUID自动探测机器的cache配置,所以在多数情况下它不再需要更多的配置信息了。

helgrind

helgrind查找多线程程序中的竞争数据。

helgrind查找内存地址,那些被多于一条线程访问的内存地址,但是没有使用一致的锁就会被查出。这表示这些地址在多线程间访问的时候没有进行同步,很可能会引起很难查找的时序问题。

产生段错误的原因

  • 使用野指针
  • 试图对字符串常量进行修改

new和malloc的区别:

在申请内存时

  • new是一个操作符,可以被重载,malloc是一个库函数

  • new在申请内存的时候,会按照对象的数据结构分配内存,malloc分配指定的内存大小

  • new申请内存时,会调用构造函数,malloc不会

  • new申请内存时,返回对象的指针,malloc申请内存的时候,返回(void *) 因此需要强转

  • 申请数组的时候,new[],会一次性分配所有内存,调用多个构造函数,因此需要delete[]来销毁内存,调用多次析构函数,而 malloc 只能sizeof(int)*n

  • new申请内存失败,会抛bac_malloc异常, malloc申请失败则返回NULL

  • malloc当分配的内存不够的时候,会使用realloc再次分配内存, new没有这样的机制。

  • new分配的内存需要用delete释放,delete 会调用析构函数,malloc分配的内存需要free 函数释放

realloc的原理:

realloc是在C语言中出现的,c++已经摒弃realloc函数,realloc函数分配一块新内存的时候,会把原内存中的内存copy到新内存中,通过memmove的方式

共享内存相关的api

  • shmget 新建共享内存
  • shmat 连接共享内存到当前地址空间
  • shmdt 分离共享内存
  • shmctl 控制共享内存

c++ STL内存优化

c++11新特性:

关键字和语法

  • auto关键字

编译器可以根据初始化来推导数据类型,不能用于函数传参和以及数组类型推导

  • nullptr关键字

一种特殊类型的字面量,可以被转成任意的其他类型

  • 初始化列表

初始化类的列表

  • 右值引用

可以实现移动语义和完美转发,消除两个对象交互时不必要的拷贝,节省存储资源,提高效率

新增容器

  • 新增STL array ,tuple、unordered_map,unordered_set

智能指针,内存管理

  • 智能指针

新增 shared_ptr、weak_ptr用于内存管理

多线程

  • atomic原子操作

用于多线程互斥

其他

  • lamda表达式

可以通过捕获列表访问上下文的数据

  • std::function std::bin d封装可执行对象

防止头文件重复引用:

#ifndef

作用:相同的两个文件不会被重复包含。

优点:

  • 受C/C++语言标准的支持,不受编译器的限制。
  • 不仅仅局限于避免同一个文件被重复包含,也能避免内容完全相同的两个文件(或代码片段)被重复包含。

缺点:

  • 如果不同头文件中的宏名恰好相同,可能就会导致你看到头文件明明存在,编译器却说找不到声明的情况。
  • 由于编译器每次都需要打开头文件才能判定是否有重复定义,因此在编译大型项目时,#ifndef会使得编译时间相对较长。

#pragma once

作用:物理上的同一个文件不会被重复包含。

优点:

  • 避免#ifndef中因为宏名相同导致的问题。
  • 由于编译器不需要打开头文件就能判定是否有重复定义,因此在编译大型项目时,比#ifndef更快。

缺点:

  • #pragma once只针对同一文件有效,对相同的两个文件(或代码片段)使用无效
  • #pragma once不受一些较老版本的编译器支持,一些支持了的编译器又打算去掉它,所以它的兼容性可能不够好。

继承与组合

  • 继承是面向对象三大基本特征之一(继承,封装,多态),继承就是子类继承父类的特征和行为,使得子类对象(实例)具有父类的实例域和方法,或子类从父类继承方法,使得子类具有父类相同的行为,继承强调的是is-a关系,是‘白盒式’的代码复用
  • 组合是通过对现有对象进行拼装即组合产生新的具有更复杂的功能,组合体现的是整体和部分,强调的是has-a的关系,是‘黑盒式’的代码复用

继承与组合使用场景

  • 逻辑上B 是A 的“一种”a kind of

继承 (如 男人 继承 人类)

  • 逻辑上A 是B 的“一部分”a part of

组合(如 组合 眼 耳 口 鼻 -> 头)

继承与组合区别

  • 在继承中,父类的内部细节对子类可见,其代码属于白盒式的复用,调的是is-a的关系,关系在编译期就确定
  • 组合中,对象之间的内部细节不可见,其代码属于黑盒式复用。强调的是has-a的关系,关系一般在运行时确定

继承与组合优缺点

继承

优点:

  • 支持扩展,通过继承父类实现,但会使系统结构较复杂
  • 易于修改被复用的代码

缺点:

  • 代码白盒复用,父类的实现细节暴露给子类,破坏了封装性
  • 当父类的实现代码修改时,可能使得子类也不得不修改,增加维护难度。
  • 子类缺乏独立性,依赖于父类,耦合度较高
  • 不支持动态拓展,在编译期就决定了父类

组合

优点:

  • 代码黑盒复用,被包括的对象内部实现细节对外不可见,封装性好。
  • 整体类与局部类之间松耦合,相互独立。
  • 支持扩展
  • 每个类只专注于一项任务
  • 支持动态扩展,可在运行时根据具体对象选择不同类型的组合对象(扩展性比继承好)

缺点:

  • 创建整体类对象时,需要创建所有局部类对象。导致系统对象很多。

函数指针的好处和作用:

好处:简化结构和程序通用性的问题,也是实现面向对象编程的一种途径

作用:

  • 实现面向对象编程中的多态性

  • 回调函数

inline函数与宏定义

inline函数是C++引入的机制,目的是解决使用宏定义的一些缺点。

为什么要引入内联函数(内联函数的作用)

用它替代宏定义,消除宏定义的缺点。

宏定义使用预处理器实现,做一些简单的字符替换因此不能进行参数有效性的检测。

  • inline 相比宏定义有哪些优越处

  • inline 函数代码是被放到符号表中,使用时像宏一样展开,没有调用的开销效率很高;

  • inline 函数是真正的函数,所以要进行一系列的数据类型检查;

  • inline 函数作为类的成员函数,可以使用类的保护成员及私有成员;

inline函数使用的场合

  • 使用宏定义的地方都可以使用 inline 函数;
  • 作为类成员接口函数来读写类的私有成员或者保护成员;

为什么不能把所有的函数写成 inline 函数

  • 函数体内的代码比较长,将导致内存消耗代价;
  • 函数体内有循环,函数执行时间要比函数调用开销大;
  • 另外类的构造与析构函数不要写成内联函数。

内联函数与宏定义区别

  • 内联函数在编译时展开,宏在预编译时展开;
  • 内联函数直接嵌入到目标代码中,宏是简单的做文本替换;
  • 内联函数有类型检测、语法判断等功能,而宏没有;
  • inline 函数是函数,宏不是;
  • 宏定义时要注意书写(参数要括起来)否则容易出现歧义,内联函数不会产生歧义;

总结

  • 分享了内存管理,内存泄露,智能指针
  • 内存泄露检测工具
  • 代码中产生段错误的原因
  • 内存优化
  • 其余小知识点

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好了,本次就到这里,*下一次 GO的并发编程分享 *

技术是开放的,我们的心态,更应是开放的。拥抱变化,向阳而生,努力向前行。

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