【C++ 面试 - 内存管理】每日 3 题（十）

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28. 什么是内存池，如何实现？

内存池（Memory Pool）是一种内存分配方式。通常我们习惯直接使用 new、malloc 等申请内存，这样做的缺点在于：由于所申请内存块的大小不定，当频繁使用时会造成大量的内存碎片并进而降低性能。内存池则是在真正使用内存之前，先申请分配一定数量的、大小相等 (一般情况下) 的内存块留作备用。当有新的内存需求时，就从内存池中分出一部分内存块，若内存块不够再继续申请新的内存。这样做的一个显著优点是尽量避免了内存碎片，使得内存分配效率得到提升。

这里简单描述一下《STL 源码剖析》中的内存池实现机制：

allocate 包装 malloc，deallocate 包装 free

一般是一次 20*2 个的申请，先用一半，留着一半，为什么也没个说法，侯捷在 STL 那边书里说好像是 C++ 委员会成员认为 20 是个比较好的数字，既不大也不小。

首先客户端会调用 malloc() 配置一定数量的区块（固定大小的内存块，通常为 8 的倍数），假设 40 个 32 bytes 的区块，其中 20 个区块（一半）给程序实际使用，1 个区块交出，另外 19 个处于维护状态。剩余 20 个（一半）留给内存池，此时一共有（20*32 byte）。
客户端之后有有内存需求，想申请（20*64 bytes）的空间，这时内存池只有（20*32 bytes），就先将（10*64 bytes）个区块返回，1 个区块交出，另外 9 个处于维护状态，此时内存池空空如也。
接下来如果客户端还有内存需求，就必须再调用 malloc() 配置空间，此时新申请的区块数量会增加一个随着配置次数越来越大的附加量，同样一半提供程序使用，另一半留给内存池。申请内存的时候用永远是先看内存池有无剩余，有的话就用上，然后挂在 0-15 号某一条链表上，要不然就重新申请。
如果整个堆的空间都不够了，就会在原先已经分配区块中寻找能满足当前需求的区块数量，能满足就返回，不能满足就向客户端报 bad_alloc 异常。

allocator 就是用来分配内存的，最重要的两个函数是 allocate 和 deallocate，就是用来申请内存和回收内存的，外部（一般指容器）调用的时候只需要知道这些就够了。

内部实现，目前的所有编译器都是直接调用的 ::operator new() 和 ::operator delete()，说白了就是和直接使用 new 运算符的效果是一样的，所以老师说它们都没做任何特殊处理。

其实最开始 GC2.9 之前

new 和 operator new 的区别：new 是个运算符，编辑器会调用 operator new(0)。

operator new() 里面有调用 malloc 的操作，那同样的 operator delete() 里面有调用的 free 的操作。

GC2.9 下的 alloc 函数的一个比较好的分配器的实现规则如下：

维护一条 0-15 号的一共 16 条链表，其中 0 号表示 8 bytes ，1 号表示 16 bytes，2 号表示 24 bytes。。。。而15 号表示 16* 8 = 128 bytes。

如果在申请内存时，申请内存的大小并不是 8 的倍数（比如 2、4、7、9、18 这样不是 8 的倍数），那就找刚好能满足内存大小的链表。比如想申请 12 个大小，那就按照 16 来处理，也就是找 1 号链表了；想申请 20 ，距离它最近的就是 24 了，那就找 2 号链表。

只许比所要申请的内容大，不许小！

但是现在 GC4.9 及其之后 也还有 alloc 函数，只不过已经变成 _pool_alloc 这个名字了，名字已经改了，也不再是默认的了。

你需要自己手动去指定它可以自己指定，比如：

cpp 复制代码

vector<string,__gnu_cxx::pool_alloc<string>> vec;

这样来使用它，等于兜兜转转又回到以前那种对 malloc 和 free 的包装形式了。

29. C++ 如何让类对象只能在堆（栈）上分配空间？

在 C++ 中，类的对象建立分为两种，一种是静态建立，如 A a；另一种是动态建立，如 A* ptr = new A；这两种方式是有区别的：

**静态建立类对象：**是由编译器为对象在栈空间中分配内存，是通过直接移动栈顶指针，挪出适当的空间，然后在这片内存空间上调用构造函数形成一个栈对象。使用这种方法，直接调用类的构造函数。
**动态建立类对象：**是使用 new 运算符将对象建立在堆空间中。这个过程分为两步，第一步是执行 operator new() 函数，在堆空间中搜索合适的内存并进行分配；第二步是调用构造函数构造对象，初始化这片内存空间。这种方法，间接调用类的构造函数。

1、只能在堆上分配类对象，就是不能静态建立类对象，即不能直接调用类的构造函数。

容易想到将构造函数设为私有。在构造函数私有之后，无法在类外部调用构造函数来构造类对象，只能使用 new 运算符来建立对象。然而，前面已经说过，new 运算符的执行过程分为两步，C++ 提供 new 运算符的重载，其实是只允许重载 operator new() 函数，而 operator new() 函数只用于分配内存，无法提供构造功能。因此，这种方法不可以。

当对象建立在栈上面时，是由编译器分配内存空间的，调用构造函数来构造栈对象。当对象使用完后，编译器会调用析构函数来释放栈对象所占的空间。编译器管理了对象的整个生命周期。如果编译器无法调用类的析构函数，情况会是怎样的呢？

比如，类的析构函数是私有的，编译器无法调用析构函数来释放内存。所以，编译器在为类对象分配栈空间时，会先检查类的析构函数的访问性，其实不光是析构函数，只要是非静态的函数，编译器都会进行检查。如果类的析构函数是私有的，则编译器不会在栈空间上为类对象分配内存。因此，将析构函数设为私有，类对象就无法建立在栈上了。

cpp 复制代码

class A
{
public:
    A(){}
    void destory(){delete this;}
private:
    ~A(){}
};

上述方法的缺点：

无法解决继承问题。如果 A 作为其它类的基类，则析构函数通常要设为 virtual，然后在子类重写，以实现多态。因此析构函数不能设为 private。还好 C++ 提供了第三种访问控制，protected。将析构函数设为 protected 可以有效解决这个问题，类外无法访问 protected 成员，子类则可以访问。
类的使用很不方便，使用 new 建立对象，却使用 destory 函数释放对象，而不是使用 delete。（使用 delete 会报错，因为 delete 对象的指针，会调用对象的析构函数，而析构函数类外不可访问）这种使用方式比较怪异。

为了统一，可以将构造函数设为 protected，然后提供一个 public 的 static 函数来完成构造，这样不使用 new，而是使用一个函数来构造，使用一个函数来析构。

cpp 复制代码

class A
{
protected:
    A(){}
    ~A(){}
public:
    static A* create()
    {
        return new A();
    }
    void destory()
    {
        delete this;
    }
};

2、只能在栈上分配类对象

只有使用 new 运算符，对象才会建立在堆上，因此，只要禁用 new 运算符就可以实现类对象只能建立在栈上。虽然你不能影响 new operator 的能力（因为那是 C++ 语言内建的），但是你可以利用一个事实：new operator 总是先调用 operator new，而后者我们是可以自行声明重写的。因此，将 operator new() 设为私有即可禁止对象被 new 在堆上。

cpp 复制代码

class A
{
private:
    void* operator new(size_t t){}     // 注意函数的第一个参数和返回值都是固定的
    void operator delete(void* ptr){} // 重载了new就需要重载delete
public:
    A(){}
    ~A(){}
};

30. 怎么判断内存有没有申请成功呢？

使用 new 操作符来动态申请内存时，如果申请失败，会抛出 std::bad_alloc 异常，因此可以使用 try-catch 语句来捕获这个异常，判断是否申请成功。

使用 malloc 函数来动态申请内存时，如果申请失败，会返回一个空指针（NULL），因此可以通过判断返回的指针是否为 NULL 来判断申请是否成功。

【C++ 面试 - 内存管理】每日 3 题（十）

28. 什么是内存池，如何实现？

29. C**++ 如何让类对象只能在堆（栈）上分配空间？**

30. 怎么判断内存有没有申请成功呢？

29. C++ 如何让类对象只能在堆（栈）上分配空间？