C++ 内存模型

C++内存模型 - MrYun - 博客园 (cnblogs.com)

内存区域

C++内存分为5个区域：
堆 heap ：
由new分配的内存块，其释放编译器不去管，由我们程序自己控制（一个new对应一个delete）。如果程序员没有释放掉，在程序结束时OS会自动回收。涉及的问题：“缓冲区溢出”、“内存泄露”
栈 stack ：
是那些编译器在需要时分配，在不需要时自动清除的存储区。存放局部变量、函数参数。
存放在栈中的数据只在当前函数及下一层函数中有效，一旦函数返回了，这些数据也就自动释放了。
全局/静态存储区 （.bss段和.data段） ：
全局和静态变量被分配到同一块内存中。在C语言中，未初始化的放在.bss段中，初始化的放在.data段中；在C++里则不区分了。
常量存储区 （.rodata段） ：
存放常量，不允许修改（通过非正当手段也可以修改）
代码区 （.text段） ：
存放代码（如函数），不允许修改（类似常量存储区），但可以执行（不同于常量存储区）

根据C++对象生命周期不同，C++的内存模型有三种不同的内存区域:
1.自由存储区，动态区、静态区局部非静态变量的存储区域(栈)
2.动态区:用operator new,malloc分配的内存(堆)
3.静态区:全局变量、静态变量、字符串常量存在位置

c++中类对象的内存模型(布局)是怎么样的？

答：一般遵循以下几点原则：

（1）如果是有虚函数的话，虚函数表的指针始终存放在内存空间的头部；

（2）除了虚函数之外，内存空间会按照类的继承顺序(父类到子类)和字段的声明顺序布局；

（3）如果有多继承，每个包含虚函数的父类都会有自己的虚函数表，并且按照继承顺序布局(虚表指针+字段）；如果子类重写父类虚函数，都会在每一个相应的虚函数表中更新相应地址；如果子类有自己的新定义的虚函数或者非虚成员函数，也会加到第一个虚函数表的后面；

（4）如果有钻石继承，并采用了虚继承，则内存空间排列顺序为：各个父类(包含虚表)、子类、公共基类(最上方的父类，包含虚表)，并且各个父类不再拷贝公共基类中的数据成员。

【游戏开发面经汇总】- 计算机基础篇 - 知乎 (zhihu.com)

C++11中的内存模型 - 简书 (jianshu.com)

C++内存布局（上）_c++内存布局(上)-CSDN博客

单一虚继承(含成员变量+虚函数+虚函数覆盖)

继承关系如下:

所谓的虚继承就是把继承语法前加上virtual关键字，例如class B：virtual public A{..};

虚拟继承的出现就是为了解决重复继承中多个间接父类的问题的 。内存分布是这样的:

这里需要解释下，因为出现了vfptr与vbptr，前面的我们已经经常看到了，但是vbptr却是第一次见，它是CChildren对应的虚表指针，它指向CChildren的虚表vtable，另一个vfptr位于0地址偏移处，它指向vftable。从截图中也可以看出有两个表vftable与vbtable。第二张vbtable中的8表示vbptr与基类的vfptr之间的偏移。

内存布局为:

另外提及一下，如果CChildren里全部是重载基类中的虚函数的话，或者说没有新的虚函数的话，vftptr指向的虚函数表就是空的，所以计算大小的时候可以不用算进去，因为实际上并没有创建相应的表格:

• 钻石(菱形)继承存在什么问题，如何解决？

【参考资料】：C++之钻石问题和解决方案（菱形继承问题）_Benson的专栏-CSDN博客、C++：钻石继承与虚继承 - Tom文星 - 博客园 (cnblogs.com)

答：会存在二义性的问题，因为两个父类会对公共基类的数据和方法产生一份拷贝，因此对于子类来说读写一个公共基类的数据或调用一个方法时，不知道是哪一个父类的数据和方法，也会导致编译错误。可以采用虚继承的方法解决这个问题(父类继承公共基类时用virtual修饰)，这样就只会创造一份公共基类的实例，不会造成二义性。

• 堆是C语言和操作系统的术语、是操作系统维护的一块内存，而自由存储是C++中通过new与delete动态分配和释放对象的抽象概念。堆与自由存储区并不等价。
• new所申请的内存区域在C++中称为自由存储区。藉由堆实现的自由存储，可以说new所申请的内存区域在堆上。

堆和栈的区别

• 管理方式：对于栈来讲，是由编译器自动管理，无需我们手工控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。
• 空间大小：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小的，默认的栈空间大小是1M（VS2017 项目-属性-链接器-系统可以修改）。
• 碎片问题：对于堆来讲，频繁的malloc/free势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。栈是先进后出的队列，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出。
• 分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，他的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。
• 分配效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

 

C++和C分别使用什么函数来做内存的分配和释放？有什么区别，能否混用？

C使用malloc/free，C++使用new/delete，前者是C语言中的库函数，后者是C++语言的运算符，对于自定义对象，malloc/free只进行分配内存和释放内存，无法调用其构造函数和析构函数，只有new/delete能做到，完成对象的空间分配和初始化，以及对象的销毁和释放空间，不能混用，具体区别如下：

（1）new分配内存空间无需指定分配内存大小，malloc需要；

（2）new返回类型指针，类型安全，malloc返回void*，再强制转换成所需要的类型；

（3）new是从自由存储区获得内存，malloc从堆中获取内存；

（4）对于类对象，new会调用构造函数和析构函数，malloc不会（核心）。

什么是内存对齐(字节对齐)，为什么要做内存对齐，如何对齐？

【参考资料】：《游戏引擎架构》P111、前文内存管理部分的参考资料

（1）内存对齐的原因：关键在于CPU存取数据的效率问题。为了提高效率，计算机从内存中取数据是按照一个固定长度的。比如在32位机上，CPU每次都是取32bit数据的，也就是4字节；若不进行对齐，要取出两块地址中的数据，进行掩码和移位等操作，写入目标寄存器内存，效率很低。内存对齐一方面可以节省内存，一方面可以提升数据读取的速度；

（2）内容：内存对齐指的是C++结构体中的数据成员，其内存地址是否为其对齐字节大小的倍数。

（3）对齐原则：1）结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的对齐值所整除；2）结构体内每一个成员的相对于起始地址的偏移量能够被该变量的大小整除；3）结构体总体大小能够被最宽成员大小整除；如果不满足这些条件，编译器就会进行一个填充(padding)。

（4）如何对齐：声明数据结构时，字节对齐的数据依次声明，然后小成员组合在一起，能省去一些浪费的空间，不要把小成员参杂声明在字节对齐的数据之间。

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