C++11、17、20的内存管理-指针、智能指针和内存池从基础到实战（中）

• 第三章 分配器allocator和new重载
• • 1、重载operator的new和delete包括数组
  • • 如果我们访问的是一个数组
  • 2、类成员操作符new重载和放置placement_new
  • • placement new（放置内存）
  • 3、分配器allocator详解c++17_20新特性说明
  • 4、自定义allocator演示vector和list分配器
  • • 现在换成我们自定义的分配器
    • 我们再试一个list容器
  • 5、未初始化内存复制分析uninitialized_copy
  • 6、c++17 20 construct对象构造和销毁
• 第四章 C++指针与面向对象
• • 1、限制栈中创建对象和调用delete销毁对象
  • 2、类继承和多继承内存地址分析
  • • 多继承内存分析
  • 3、多继承中的二义性和虚基类内存问题分析
  • • 虚基类、虚继承
  • 4、虚函数原理和内存分析
  • 5、虚函数表指针直接访问函数的代码实验
  • • 手动调用虚函数表里面的函数
• 第五章 C++17内存池
• • 1、c++17内存池memory_resource内存池原理
  • 2、c++17内存池synchronized空间申请源码分析
  • • 写代码测试内存池
  • 3、c++17内存池空间释放代码分析

第三章 分配器allocator和new重载

1、重载operator的new和delete包括数组

可以看到我们的TestMem类里面没有成员，没有成员的话它new出来一个空间它至少也要占一个字节，也就是说它new出来一个对象，至少分配的是一个字节；
如果给它添加一个int成员：

如果是new一个int类型呢：

如果我们访问的是一个数组

我们申请一个int类型的数组空间，和一个TestMem类型的数组：

我们把new一个普通的对象和new一个数组的操作符区分开来；
我们重载操作符new访问数组的函数：

我们new函数是在进入构造函数之前先进入的， 因为你得先有空间，才能够做构造，因为构造肯定是在你的内存空间基础之上来做构造的。

我们重载清理的函数：

我们从上图可以看到，进入构造函数，然后进入析构，析构完了之后最后才调用的delete，因为析构的时候其实是还能够访问内存的，所以这时候你不能把空间删掉，基本上是在析构之后调用的delete，也就是说只要进入到我们delete函数，表示这个对象已经析构过了。

2、类成员操作符new重载和放置placement_new

对于大部分项目来说，重载全局的new其实是很危险的，特别是你做了一些特定操作的时候，当然你可以在debug模式重载一下，用来记录所有的内存的申请和分配；
很多情况下，我们只希望是在某一个类的时候，它的new出来的这个过程我们去控制，而针对其他类的内存我们不用去控制。

但是我们发现在操作数组的时候，我们是调用了全局的数组函数，那也就是说我们要把这个数组函数进行重载：

当你调用、生成这个TestMem对象的时候，它优先找我们类当中的成员，找不到的话再去找你重载的new，再找不到的话就去找全局的、本身的new。
我们把delete和delete[]也在TestMem类当中进行重载：

placement new（放置内存）

在一些特定的需求当中，我们要分配一个对象的时候，我们让它在以后的空间当中创建；
或者是我们把空间的创建和对象的构造给它分割开来，这样可以加快我们的效率；
当然还有一种情况，我们想new出一个在栈当中分配的空间，但是这个方式使用的时候我们要注意的一点，我们这个new调用之后，它生成的空间是不会释放的，也就是说不需要你去释放，因为这个空间你并没有生成，你只是在指定的空间当中做了对象的初始化。

在栈当中分配空间，其实我们就不需要对它进行释放了，注意啊，你准备好的这个空间要大于你待会要放置的空间：

我们创建的这个对象是在原来的buf1的地址当中，我们可以试着把这个地址打印一下：

那这个时候我们能不能清理呢，delete是不能清理mem2的，因为这是在栈中调用的。

那如果说要在堆当中调用呢？

那我们析构该怎么调用呢？
如果我们是在栈中调用的，析构是没法调用的，如果我们delete这个栈当中的空间的话：

清理栈当中的空间那么程序肯定会当掉的。

我们的析构要自己调用，也就是说析构函数我们自己主动调用：

我们也可以对placement new进行重载（对应类当中成员的），只不过会包含两个参数：

也就是说它可以在现有的空间当中来分配我们new的空间，就相当于我们这个空间就不用申请了，但是可以构建它的过程。

3、分配器allocator详解c++17_20新特性说明

我们用标准分配器主要来实现什么呢？
也就是说把对象内存的创建和构造函数的调用给它分割出来，为什么要分割呢？
有时候我们创建对象的时候，在内存分配的时候我们也许一上来分配了1000个对象，但是在业务逻辑当中呢，我们没必要在分配这1000个对象的时候就全部给它们初始化，所谓初始化其实最重点的就是会调用它的构造函数，那我们只有在用到某一个对象的时候，我们内存要提前分配，但是我们再用某一个具体对象的时候再对它进行初始化。
我们刚才讲了，分配器除了把算法和存储细节隔离开之外，它同样可以实现对象内存分配和构造分离；
正常情况我们如果new一个对象出来，它的分配和构造一起做的，有时候我们要把它分开了来做，我们也是通过分配器来实现。

总的来说就是根据你的类型大小，new出来一块size这么大的空间。
我们编译运行看看：

可以看到内部调用的时候，它其实调用的是new函数，它并没有构造，也就是说这一步是不构造对象的。

你可以看到其实的过程，它也没有调用析构函数，所以说在我们使用这个内存分配的时候，就需要我们主动地去控制什么时候调用构造和析构，也就是说析构的调用权也交给了你。

那我们怎么去构造呢？比如说我们拿到了这块空间，那怎么去调用它的构造函数？

我们可以看到构造函数就被调用了。

4、自定义allocator演示vector和list分配器

在这里的通用分配器有时候是外部条件传进来的，包括我们也可以去实现一些算法内部提供的分配器，也就是说我们通过外部传递然后来实现分配，这样把整个的空间分配和业务逻辑做这样的一个解耦合。

我们可以看一下现有的vector是怎么做的，然后我们再来看我们怎么去实现这样一个自定义分配器。

因为vector里面存放的是XData，不是指针，我们存的是对象，所以说这个push_back它每次其实会复制一份到它内部的内存。

我们可以看到全是Drop，我们为了监控它的复制，给XData添加一个拷贝构造函数：

编译出错，拷贝构造函数的参数是要加const的。

从上图我们可以看到，再次Copy 111的时候，它可能重新划分了一个空间，然后把之前的（第1个XData 111）给释放掉，然后后面继续拷贝；
我们修改for循环里面的代码，把xd换成引用，否则我们在这里面读取的时候又做了一次拷贝，我们换成引用的话减少它的拷贝。

这样输出就清晰一点，其实它做了一次内存的移动，把整个的空间增大之后，要把原来的空间清理掉。
所以说它整个是这样一个过程：
首先，第一次创建的时候，它可能预先分配好空间，当空间不够的时候，它会申请一块更大的空间，然后把前面的空间复制过来，并且把前面空间释放掉，有这样一个过程。

现在换成我们自定义的分配器

我们可以看到vector是有两个模板参数的，第一个参数是容器的类型，第二个参数是allocator，也就是说vector它默认使用了allocator的分配器。
那这时候我们把它换成自定义的allocator分配器，这里面不要涉及继承，因为这是模板函数，所以也不存在继承的概念。

模板函数就是声明跟定义不能分开了，声明跟定义只能在一起：

我们先编译一下看看错误：

可以看到它有一些特征，它用到了一个叫做value_type，因为它里面的代码会用value_type去做一系列的事情。

这里面的函数名称是固定的，如果你写错名称的话，它的调用会找不到这个函数，也就是说在我们的vector当中它会调用这里面相关的函数，所以名字要正确。

我们编译一下可以看到错误：

因为vector也是一个模板容器，它其实不知道我们这个MyAllocator中的Ty类型，vector去访问的时候它里面自动生成的代码都用的叫value_type，也就是说它会用value_type去作为类型的方式，因为vector本身支持任意的容器进来，所以说它的类型名不固定，那这时候我们就把所有的类型名都给它指定成value_type，它后面的代码都可以用value_type就可以实现我们这样一个隔离分开的功能，所以说这个value_type要加进来。
我们再编译一下：

它这个错误是在析构部分。

在它内部的实现要替换成另外一个类型，当然我们这个函数可以什么都不做，因为这里我们用不到，如果说要用到的话，我们还需要再重载另外一个，把当前的分配器指向另外一个分配器，虽然用不到，但是vector内部实现的代码有调用，所以我们得提供它，提供个空的就可以了。

因为我们添加了一个有参数的构造函数，所以需要补充默认的构造函数：

我们给分配和释放添加上输出代码，来监控一下整个过程，它什么时候来跟我们申请的空间：

我们可以看到，第一次申请了一个空间，第二次申请了两个空间的时候，它会把前面的空间复制到我们新的空间当中去；
allocate 3，又做了一次复制，当然了，整个的减少复制过程的流程就需要你自己来做了。
我们每次push_back的时候其实会申请一块新的内存空间，第一次申请1个，第二次申请2个，第三次申请3个，其实这样做的效率是不高的，所以这个优化过程由你自己来写这样一个算法，比方说最大容量放多少，第一次一上来就给它申请1024个，到后面申请的时候直接返回这个空间的地址就可以了，也就是说第二次申请的时候就不需要再给它新的空间，这个根据你的业务逻辑来，这里我们只要把流程给它跑通就可以了。

我们可以把类型打印出来看看：

我们可以看到，第一次它先往容器里面加了一个Container_proxy，通过这样一个分配器我们也是可以进一步跟进到容器的代码当中。

我们再试一个list容器

list跟我们上面的vector不同，vector就是一个固定的数组，而list它是一个链表结构，它的类型申请其实是每push一个内容，它都会去申请一块内存。

list每次分配的是1个空间（allocate 1），所以你在做分配器的时候就要考虑到它的这个分配空间。

我们给for循环里面的代码换成引用（因为auto它不会自动推导出引用）：

5、未初始化内存复制分析uninitialized_copy

我们把一个对象复制到一块未初始化的内存当中，什么叫未初始化的内存，malloc直接申请的内存就算是，或者是你明明要存放很多的对象，但是你是new出来的一个char的空间，并不是new出来整个对象；比方说你new 1024个XData对象，那这个就是已经初始化过的，所以不需要你去做相应的处理，而我们很多情况下，我们拿到了一组对象，我们希望把它复制到一个我们本地的内存当中去，这是经常涉及到的数据交互。
很多做法怎么做呢？
如果是C语言编码的话，那就memcpy，如果是C++的话，我们可能用std::copy直接把整个内存复制过去就可以了；

那为什么我们有时候会用到uninitialized_copy这样一个未初始化的复制方法呢？
它会调用拷贝构造，它会把对象进行复制。

我们希望把上面的datas复制到我们buf当中，并且确保在这个buf当中存储的对象是经过初始化的，或者是调用过拷贝构造的，那我们一种做法是直接调用memcpy。
但是这种有什么问题呢？

我们可以看到它没有调用拷贝构造，这里面就有问题了，如果我们这个XData里面有指针指向的空间，有个堆空间，那这时候这块空间可能就是无效的了，通过memcpy就做不到拷贝构造，为了解决问题，我们手动来得做一遍复制。

我们再来看看C++的std::copy方式：

我们可以看到，std::copy同样也没有调用我们的拷贝构造函数，也就是说它不是生成一个新的对象，它是做的一个把内存空间整个复制的过程。

那我们如果希望它重新构造呢？

我们把赋值操作符等于符号=进行重载：

我们uninitialized_copy这种方式是把整个对象做了初始化，并且以传进来的值作为拷贝构造。

6、c++17 20 construct对象构造和销毁

之前我们的构造是调用了C++11开始就支持的allocator_traits里面的方法来获取了对象，在C++17和C++20呢也提供了一个简化的方法来调用构造函数。
为了使用C++17和C++20要设置项目属性、常规、C++语言标准为预览 - 最新C++工作草案中的功能：

接着我们写代码，分配一块空间，在现有的空间中构造对象：

我们可以看到调用了构造函数，但是退出之后并没有释放这些对象，因为这里面我们是主动调用了构造函数，因为空间是在malloc中申请的，所以最后的话我们要free把空间释放了，当然用free释放的话，是不会调用对象的析构函数的：

我们可以看到C++20的destroy的两个参数是像迭代器一样的指针，表示开始指针位置和结束指针位置：

上图这是由于我们在for循环中构造对象的时候下标错了，应改为：

这样的话就完成了构造和析构，当然我们在构造的过程中可以把值进行修改。

我们看到上图绿色波浪线提示异常：data有可能为NULL，所以我们修改代码对data做个判断来排除异常：

第四章 C++指针与面向对象

1、限制栈中创建对象和调用delete销毁对象

本节课我们来讲一下指针与面向对象的关系，也就是说我们通过指针去操作类当中的成员，包括虚函数它的空间分配情况，我们重点就是指针操作内存，我们看一下在类当中它的内存情况。

我们先来做第一个示例，我们限制在栈当中创建对象，并限制你用delete来销毁对象。

我们为什么要做这样一个限制呢？
你可能会看到很多的工厂方法当中，它会要求你必须用它的接口来创建对象，这也是在设计模式当中经常会用到的，包括单件模式我们也会用到限制栈中创建对象，因为栈中创建的空间很多你是具有不确定性的，就是当你限制用户的时候，就是怎么让使用你代码的人不去在栈中创建对象，怎么达到这个目的呢，你可以写在文档当中、写在说明当中，但是这样的做法大部分人是不看文档的，他先用、先跑起来就不管到底是怎么跑起来的；
所以我们这时候对他做一个限制的话，那我们要在语法层面就让他过不了，也就是说如果他在栈中创建对象，我让他编译不过，那我们怎么通过代码来实现让他不能在栈中创建对象，也就是说只能在堆中创建对象，当然了，我们也限制他在堆当中创建对象必须通过我们的接口来进行调用。
其实这里面我们不是限制堆或者栈，而是说我限制你自己创建对象，必须经过我的接口，这样的话我们在接口当中就可以做统一的处理。
主要做哪些处理呢？
比如说我们是做组合的设计模式，把多个对象拼在一起，增加一些属性，这样的话我们可以做出很多的特性，而不去跟我们具体的类的构造函数相关，因为在构造函数当中我们肯定不能做太多事情，就是在外部来达到这样的目的；
当然了，因为涉及到我们待会会做protected，可能会涉及到友元，那么我们这边尽量简化在当前类当中去创建对象。

现在默认肯定是编译正确通过的，如果说我们想要限制它，不允许像上图选中那样做，一旦这样做就让它编译出错。

把构造函数做成protected或者私有的：

一旦把构造函数放到protected当中，你在外部调用、生成这个对象的时候，因为生成对象的时候是要调用构造的，而构造函数是protected的，只能是它的派生类或者友元才能访问，所以这时候在外部就不能访问。
那它怎么创建对象呢？就要通过我们提供的接口来创建了。

静态成员函数和全局函数的一个区别就是，它能够访问类的成员，包括私有成员和保护类型的成员，包括成员函数，就是这么一个重要的区别。

我们尽量把析构函数做成虚函数，构造函数就不需要做成虚函数了，构造函数不存在虚函数，析构函数要做成虚函数，因为你如果说是用派生类的对象来访问的时候，你可能清理不掉。

整个的清理过程都经过我们内部的方法，这样就限制了在外部直接调用delete，因为你在内部进行清理的时候，你就可以做很多的检查判断。

2、类继承和多继承内存地址分析

其实对象的重点就是它里面存的是什么，就是存的成员变量， 函数的话其实是在代码区；
在堆区或者栈区生成一个对象，它的空间里面存放的都是对应的成员变量，代码肯定不会在这里的，当然它会存一个虚函数表。

错误的理解，会以为派生类A的x1会覆盖基类B的x1，其实不存在覆盖，这两个变量的空间都会存在。

整个派生类A的对象的首地址，里面存的先是基类的成员，然后再到派生类，这就是单继承的内存分布。

多继承内存分析

通过这些代码，我们也基本上推导出它的内存空间的分配情况。

3、多继承中的二义性和虚基类内存问题分析

Base1和Base2都包含有C:c1，而A又继承于Base1和BAse2，同一个类的成员C:c1有两份，这时候在代码当中你是没法区分它们的。

现在编译是没有问题，如果我们通过A3这个对象去访问c1的时候，可以看到异常提示：“A3::c1 不明确”：

我们把类C加进来限定一下：

此时你说赋的哪份c1的值呢？这时候我们应该是有两份c1的。
我们可以把地址打印出来：

可以看到它其实取到的是B1的c1，这样操作会带来很大的歧义性问题，我们变得不可知，当涉及到调用一些函数的时候，它访问成员的时候，那究竟是访问的哪一个成员，你就没法确定，所以我们其实希望的是c1只有一份。

虚基类、虚继承

这时候我们称C为虚基类。

我们可以看到所有的c1是在同一个地址下面，这样就确保了我们只存储了一份。

那你说它是怎么实现的这个功能呢？怎么能确保它只存了一份呢？我们这个虚继承究竟做了什么事情呢？
这是在编译器层面就解决了的，编译器在整个编译过程当中就能够知道你是一个虚继承，它本身也可以在继承的过程当中存放这个空间，因为你编译器必须要指定这块内存的分配方式。

4、虚函数原理和内存分析

我们可以看到它访问的是B的test1，但是我们传进去的是一个A的对象，我期望它调用的是A的test1，因为经过函数参数的类型转换，转换成基类的指针，因为我们在设计当中经常会这么做。

它也是调用的B的test1，而我们期望传递进去是C的对象，它就应该调C的函数，我们传递的是A对象，它就应该调用A的函数，但实际情况不是这样的，那这时候我们怎么处理呢。

通过设定基类函数为虚函数，就解决了我们传递子类类型转成基类之后，必须要调用实际对象的方法。
你那说在你不定义虚函数的时候，它为什么找不到呢？

5、虚函数表指针直接访问函数的代码实验

我们来看一下两个同一类型的不同对象，指向的虚函数表是否是同一块地址：

A类继承的是B，那么B的虚函数表的地址跟A的一样么？不一样的，不同类指向的是不同的虚函数表。

手动调用虚函数表里面的函数

我们通过虚函数表调用里面的函数，因为我们没法把这样的一个int类型转成thiscall类型的函数指针，所以只能做一个普通函数，这样调用也没有问题。

第五章 C++17内存池

1、c++17内存池memory_resource内存池原理

2、c++17内存池synchronized空间申请源码分析

写代码测试内存池

我们先创建好了内存池，然后在内存池中创建1000个小的数据块，把申请数据的指针存到vecor当中，再把它释放了；然后再创建大的数据块，我们来看看小数据块和大数据块在代码当中的一个区别。
实际当中我们什么时候会用内存池，用内存池一定是它的空间不确定的，每次申请的空间不固定，如果空间固定的话那我们就不一定要用内存池了，我们固定的用一个链表自己来运维反而更简单。
当然，这里测试的时候可以让它空间是固定的。

vs2019有内存分析的诊断工具，从右图诊断工具那里可以看到申请了1G的内存，申请速度有点快，我们把速度放慢点，这样可以看到申请的过程：

我们观察内存诊断工具中的进程内存快照，可以看到内存的曲线图是成倍加大的，内存是以指数级往上翻倍的，从100M（实际的数值可能是142M），200M（285M），400M（570M）这样子增长，直接翻到了1G（右图的数据每次多一些）；
它这样的好处是减少了你的内存分割，如果你是用new和delete，你可能会不断地申请不断地释放，会有大量的内存碎片，并且申请过程的消耗比较大；
它这样的好处是，你每次申请空间的时候，其实这个空间已经申请好了，只是返回一个地址而已，那这个效率肯定会高很多，特别是对于一些数据量比较大的操作。

测试内存溢出的情况：

可以看到可以抛出异常。

我们来看下源码：

我们的do_allocate是线程安全的内存池的：

线程安全的线程池的do_allocate，其实是调用了非线程安全的线程池的do_allocate，只不过在这里面加了一个锁，也就是说进入这个函数它肯定是线程安全的。
我们再进入到非线程安全的线程池的do_allocate当中：

如果说传入_Bytges大于largest_required_pool_block的话，就调用大的空间的分配方法：

可以看到它是拿到基类的对象，然后调用基类的分配内存的方法（_Resource->allocate）。

创建内存之后，把这块内存加入到_Chunks，也就是大块的数据空间当中。

所以这是我们的一个申请空间的流程，其中我们就理解了它的机制：
如果是第一次进来，那肯定是直接在内存池当中找到一块空的空间，然后直接返回；
如果多次进来之后，中途有一些内存被释放了，它其实会到里面去找，找到一个被释放的，并且跟它的大小是符合的，比方说它需要1M，那有一个1.5M的数据，那就可以直接给它，因为你不太可能找到完全一样的。

如果说你设定的max_blocks_per_chunk是100M，那这个时候到了1G的时候，就给它翻倍，翻倍到2G，哪怕你这次只申请了1M的空间，变成1G+1M，它会预先把内存池翻一倍，就变成了2G，如果是个32位程序的话，一下就把资源耗尽了，这样就导致空间的浪费，如果要充分使用内存池，那你还是要预先把这个空间准备好，或者干脆搞两个内存池，你确定下一个池给它1G，这是根据你的业务逻辑来确定怎么做。

3、c++17内存池空间释放代码分析

从同步内存池里面看内存释放的源码：

可以看到，我们资源释放的时候并没有真正的释放，那么在什么时候会去真正的释放呢？

如果空闲的空间小于容器的空间，这个时候它是不释放的；
只有当它的空间减少到足够程度的时候才真正的释放，所以内存池也是减少了我们的一个释放的过程。

看右图的变化情况，当申请内存到1G完成之后，开始释放内存：

从右图空间释放的图形变化来看，可以看到它是一块一块空间进行释放的（图形下降的坡度会缓一点），直到最后我们把所有的空间都释放完毕；
但是这时候它其实还保留了一部分空间的，在我们的整个数据块当中它并没有完全清理掉，如果我们想完全清理掉的话：

我们在任务管理器中实际看一下内存的使用情况：