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C++中类与对象在内存中的关系

admin 2020-2-27 05:16 75人围观 C++相关

当我不断尝试了解虚幻的代码时,在中途又遇见了阻碍。回过头来继续学习C++。需要了虚幻的蓝图虚拟机实现方式时,对内存的调用了解十分重要。这决定着能不能看懂源代码。我也在不断扩充自己的知识面。这里有一篇很好的概括与总结。特别是对类与对象的解释。

一.类与对象

类与对象的关系:

类是定义同一类所有实例变量和方法的原型,对象是对类的实例化。

从内存的出发的关系:

类刻画了实例的内存和布局,确定实例中每个数据成员在一块连续的内存中的位置,大小以及解读方式。

对象就是编译器根据刻画的内存布局去分配的内存。

其他:

除了实例变量和方法,类也可定义类变量和类方法,这是我们通常所说的静态变量和静态函数,他们不属于某个具体的对象,而是属于整个类,所以不会影响对象的内存布局和内存大小。

对象的本质是一块连续的,对象的类型就是对这块内存的解读方式。

二.不同内存区域的对象

在C++中,对象通常存放在三个内存区域:栈、堆、全局/静态数据区;相对应,在这三个区域中的对象就是栈对象、堆对象、全局/静态对象。

全局/静态数据区:全局对象和静态对象存放在该区,在该内存区的对象一旦创建后直到进程结束才会释放。

在其生存期内可以被多个线程访问,它可以做为多线程通信的一种方式,所以对于全局对象和静态对象要考虑线程安全,特别是对于函数中的局部静态变量,容易忘记它的线程安全性。全局对象和一些静态对象有一个特点:这些对象的初始化操作先于main函数的执行,而且这些对象(可能分布在不同的源文件中)初始化顺序没有规定,所以在它们的初始化中不要启动线程,同时它们的初始化操作也不应有依赖关系。

堆:堆对象是通过new/malloc在堆中动态分配内存,通过delete/free释放内存的对象。我们可对这种对象的创建和销毁进行精确控制。堆对象在c++中的使用非常广泛,不同线程间、函数间的对象共享可以使用堆对象,大型对象一般也使用堆对象(栈空间是有限的),特别是虚函数多态性一般是由堆对象实现的。

使用堆对象也有一些缺点:1.需要程序员管理生存周期,忘记释放会有内存泄露,多次释放可能造成程序崩溃,通过智能指针可以避免这个问题;2.堆对象的时间效率和空间效率没有栈对象高,堆对象一般通过某种搜索算法在堆中找到合适大小的内存,比较耗时间,另外从堆中分配的内存大小会比实际申请的内存大几个字节,比较耗空间,尤其是对于小型对象这种损耗是非常大的;3.频繁使用new/delete堆对象会造成大量的内存碎片,内存得不到充分的使用。对于2,3两个问题可以通过内存一次分配,多次使用的方法解决,更好的方法是根据业务特点实现特定的内存池。

栈:栈对象是自生自灭型对象,程序员无需对其生存周期进行管理。一般,临时对象、函数内的局部对象都是栈对象。

使用栈对象是高效的,因为它不需要进行内存搜索只进行栈顶指针的移动。另外栈对象是线程安全的,因为不同的线程有自己的栈内存。当然,栈的空间是有限的,所以使用中要防止栈溢出的出现,通常大型对象、大型数组、递归函数都要慎用栈对象。

 三、C++对象的创建和销毁

C++类有四个基本函数:构造函数、析构函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载函数,这四个函数管理着C++对象的创建和销毁,正确而完整地实现这些函数是C++对象安全运行必要保证。

(1) 构造

创建一个对象有两个步骤:

1.在内存中分配sizeof(CAnyType)字节数的内存;

2.调用合适构造函数初始化分配的内存。

C++对象的大小由三个因素决定:

1.各个数据成员的大小;

2.由字节对齐产生的填充空间的大小;

3.为支持虚机制编译器添加的一个指针,大小是四个字节。

虚机制指针有两种:

1.支持虚函数的虚表指针,

2.支持虚继承的虚基类指针。

虚继承时,派生类只保存一份被继承的基类的实体,比如下面例子的菱形继承关系中,类D中只有一份类A的实体。另外,类A是一个空类,但sizeof(A)大小不是0,而是1,这是因为需要用这一个字节来唯一标识类A在内存中的不同对象。

Class A{};

Class B : virtual public A {};

Class C : virtual public A {};

Class D:public B, public C {}

(2)析构

销毁一个对象也有两个步骤:

1.调用析构函数;

2.向系统归还内存。

析构函数的作用是释放对象申请的资源。析构函数通常是由系统自动调用的。

在以下几种情况下系统会调用析构函数:

1.栈对象生命周期结束时:包括离开作用域、函数正常return(不考虑NRV优化)、函数异常throw;

2.堆对象进行delete操作时;

3.全局对象在进程结束时。析构函数只在一种情况下需要被显式的调用,那就是用placementnew构建的对象。当类里包含虚函数的时候我们应该声明虚析构函数,虚析构函数的作用是:当你delete一个指向派生类对象的基类指针时保证派生类的析构函数被正确调用。

有许多资源泄露的问题就是因为没有正确使用虚析构函数造成的,这种资源泄露有两种:

1.派生类里直接分配的资源;

2.派生类里的成员对象分配的资源。尤其是第二类,隐蔽性非常高。

构造和析构是一组被成对调用的函数,特别是对于栈对象,调用是由系统自动完成的,所以我们可以利用这一特性将一些需要成对出现的操作分别封装在构造和析构函数里由系统自动完成,这样可以避免由于编程时的遗漏而忘记进行某种操作。比如资源的申请和释放,多线程中的加锁和解锁都可以利用栈对象的这一特性进行自动管理。


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