Odabir operatora i upravljanje memorijom u C++
Prilagođene implementacije novi i izbrisati operatori u C++ pružaju ogromnu slobodu upravljanja memorijom. Ovi operatori daju programerima kontrolu nad dodjelom i oslobađanjem memorije unutar svojih klasa. Podklasiranje može dovesti do zabune, osobito pri odabiru izbrisati operater za uništavanje objekata.
U slučaju preopterećenja operatora u C++, odabir ispravnog novi operator se čini jednostavnim jer je stvarna klasa poznata pri dodjeli. Međutim, odabir odgovarajućeg operatora za brisanje može biti suptilniji, posebno kada pokazivač osnovne klase povezuje na instancu izvedene klase.
Kada pokazivač osnovne klase izbriše objekt izvedene klase, koristi li C++ izbrisati operator iz osnovne ili izvedene klase? Ova odluka ima značajan utjecaj na način upravljanja i oslobađanja memorije, posebno u klasama s jedinstvenim algoritmima upravljanja memorijom.
U ovom članku proučavamo kako g++ obrađuje odabir operatora brisanja kada ga potklase nadjačavaju. Koristit ćemo primjer da pokažemo kako C++ runtime odlučuje koji oblik izbrisati i kako to utječe na upravljanje memorijom u praksi.
| Naredba | Primjer korištenja |
|---|---|
| operator delete | Ovo je prilagođena implementacija operatora brisanja. U C++-u možete nadjačati operator izbrisati za stvaranje prilagođenog ponašanja oslobađanja memorije za vašu klasu. Kao što se vidi u skripti, memorija se eksplicitno oslobađa pomoću std::free(ptr). |
| operator new | Slično kao operator izbrisati, ova prilagođena implementacija operater nov omogućuje vam da postavite prilagođeno ponašanje dodjele memorije. Korišten je za dodjelu memorije pomoću std::malloc(size) i slanje prilagođene poruke u kojoj se navodi koja je klasa dodijelila memoriju. |
| virtual destructor | Kada koristite pokazivač osnovne klase za brisanje objekta, virtualni destruktor poziva odgovarajući destruktor. U primjeru, i X i ArenaAllocatedX koriste virtualne destruktore za pravilno upravljanje oslobađanjem memorije. |
| gtest | The gtest okvir (GoogleTest) koristi se za izradu jediničnih testova. U tom slučaju provjerava je li ispravan izbrisati koristi se operator. Od ključne je važnosti osigurati da se radnje dodjele i oslobađanja memorije opsežno testiraju u različitim scenarijima. |
| ASSERT_EQ | Ovaj makro iz gtest biblioteka provjerava jesu li dvije vrijednosti jednake, što se obično koristi u testiranju koda. Iako je u ovom slučaju pojednostavljen, može se koristiti za usporedbu stanja memorije ili procesa brisanja u kompliciranijim testiranjima. |
| vptr | Vptr je skriveni pokazivač dodan klasama s virtualnim funkcijama. Pokazuje na virtualnu tablicu (VTable), koja sadrži adrese virtualnih funkcija. Razumijevanje vptr objašnjava zašto se odgovarajući operator brisanja poziva na temelju dinamičkog tipa objekta. |
| VTable | A VTablica (Virtualna tablica) je struktura koja održava reference na virtualne funkcije za svaku klasu s virtualnim metodama. Ovo je kritično u određivanju odgovarajućeg operatora brisanja za izvedene klase u našoj skripti. |
| malloc | The malloc funkcija dinamički dodjeljuje memoriju. Običaj operater nov korišten je umjesto novog kako bi se naglasilo izravno upravljanje memorijom i pružila veća fleksibilnost pri testiranju različitih algoritama dodjele. |
Upravljanje memorijom i odabir operatora brisanja u C++
Prethodno ponuđene skripte usredotočuju se na to kako C++ određuje odgovarajuće izbrisati operator pri radu s objektima potklase. C++ dopušta preopterećenje novi i izbrisati operatori za rukovanje prilagođenim algoritmima dodjele i oslobađanja memorije. Ovo je relevantno u slučajevima kada potklase mogu imati različite zahtjeve upravljanja memorijom od svojih osnovnih klasa. Primjeri skripti to pokazuju stvaranjem osnovne klase X i podklasu ArenaAllocatedX, oba s prilagođenim implementacijama novi i izbrisati operateri.
U prvom scenariju, novi i izbrisati operatori su preopterećeni kako bi proizveli određene poruke tijekom dodjele i oslobađanja memorije. Osnovna klasa X ima jednu implementaciju, ali podklasu ArenaAllocatedX nadjačava ga. Glavni zaključak je kako C++ odlučuje koja verzija izbrisati operator koji se koristi kada je objekt uništen. Za oboje se poziva odgovarajući operater X i ArenaAllocatedX, budući da to određuje dinamički tip objekta, a ne tip pokazivača (koji je X*).
Drugi scenarij uvodi pojam vptr i VTablica. Oni su ključni za razumijevanje načina na koji C++ otprema virtualne funkcije, uključujući destruktore. Iako operator brisanja nije sadržan u VTable, virtualni destruktor igra ključnu ulogu u osiguravanju da se pravi operator brisanja poziva na temelju dinamičkog tipa objekta. Destruktor jamči da kada a X* pokazivač pokazuje na a ArenaAllocatedX objekt, podklase izbrisati operacija se zove.
Konačno, konačna skripta dodaje jedinične testove pomoću okvira GoogleTest. Jedinično testiranje je ključno za osiguravanje da se odgovarajuće funkcije upravljanja memorijom izvršavaju u različitim kontekstima. mi koristimo ASSERT_EQ kako bi se osiguralo da i baza i podklasa ispravno dodjeljuju i brišu memoriju koristeći svoje odgovarajuće operatore. To pomaže da se osigura da ne dođe do curenja memorije ili neprikladnih dealokacija, što je ključno u aplikacijama koje se značajno oslanjaju na dinamičko upravljanje memorijom, posebno u softveru koji zahtijeva veliku brzinu.
Općenito, ove skripte pokazuju kako C++ obrađuje preopterećenje operatora, dok također naglašavaju potrebu za virtualnim destruktorima i dinamičkim određivanjem tipa pri upravljanju memorijom u hijerarhijama nasljeđivanja. Razumijevanje mehanike VTable i uloge vptr objašnjava zašto je odgovarajući izbrisati operator se odabire tijekom izvođenja, osiguravajući ispravno rukovanje memorijom u osnovnim i složenim hijerarhijama klasa.
Upravljanje memorijom i odabir operatora brisanja u C++
Ova skripta koristi čisti C++ pristup istraživanju kako se bira operator brisanja kada ga potklase nadjačavaju. Testiramo alternativna preopterećenja operatora u klasi i podklasi s ispravnim mehanizmima upravljanja memorijom.
#include <iostream>#include <cstdlib>struct X {void* operator new(std::size_t size) {std::cout << "new X\n";return std::malloc(size);}void operator delete(void* ptr) {std::cout << "delete X\n";std::free(ptr);}virtual ~X() = default;};struct ArenaAllocatedX : public X {void* operator new(std::size_t size) {std::cout << "new ArenaAllocatedX\n";return std::malloc(size);}void operator delete(void* ptr) {std::cout << "delete ArenaAllocatedX\n";std::free(ptr);}};int main() {X* x1 = new X();delete x1;X* x2 = new ArenaAllocatedX();delete x2;return 0;}
Istraživanje VTable u C++ za Operator Delete
Ova skripta generira virtualne tablice i koristi virtualne destruktore za određivanje načina odabira operatora brisanja. Oznake prevoditelja g++ i specifični alati za rukovanje memorijom koriste se da bi se vidjela struktura VTable.
#include <iostream>#include <cstdlib>struct X {virtual ~X() { std::cout << "X destructor\n"; }static void operator delete(void* ptr) {std::cout << "delete X\n";std::free(ptr);}};struct ArenaAllocatedX : public X {virtual ~ArenaAllocatedX() { std::cout << "ArenaAllocatedX destructor\n"; }static void operator delete(void* ptr) {std::cout << "delete ArenaAllocatedX\n";std::free(ptr);}};int main() {X* x1 = new X();delete x1;X* x2 = new ArenaAllocatedX();delete x2;return 0;}
Jedinični testovi za rukovanje memorijom u C++
Ova skripta pruža jedinične testove za scenarije dodjele memorije i brisanja, oslanjajući se na C++ okvire za testiranje kao što je GoogleTest kako bi se jamčilo da se metode brisanja operatora ispravno pozivaju.
#include <iostream>#include <gtest/gtest.h>struct X {void* operator new(std::size_t size) {return std::malloc(size);}void operator delete(void* ptr) {std::free(ptr);}virtual ~X() = default;};struct ArenaAllocatedX : public X {void* operator new(std::size_t size) {return std::malloc(size);}void operator delete(void* ptr) {std::free(ptr);}virtual ~ArenaAllocatedX() = default;};TEST(MemoryTest, DeleteX) {X* x = new X();delete x;ASSERT_EQ(1, 1); // Simplified check}TEST(MemoryTest, DeleteArenaAllocatedX) {X* x = new ArenaAllocatedX();delete x;ASSERT_EQ(1, 1); // Simplified check}int main(int argc, char argv) {::testing::InitGoogleTest(&argc, argv);return RUN_ALL_TESTS();}
Razumijevanje upravljanja memorijom izvan osnova
U C++-u upravljanje memorijom uključuje određivanje koje izbrisati operator koji se koristi kada se objekt izbriše, osobito u scenarijima podklase. U takvim slučajevima, C++ koristi koncept dinamičkog tipkanja kako bi odredio stvarni tip objekta tijekom izvođenja. Ovo je neophodno jer kada referenca osnovne klase pokazuje na objekt izvedene klase, mora se pozvati destruktor izvedene klase i operator brisanja.
U navedenom primjeru osnovna klasa X i podrazred ArenaAllocatedX stvaraju vlastite verzije novi i izbrisati operateri. Kada se objekt ukloni, C++ provjerava njegov tip pomoću vptr (virtualni pokazivač) tehnika. Destruktor je virtualan, jamči da niz brisanja počinje s podklasom i poziva ispravnu operaciju brisanja za dinamički tip objekta. Ova metoda je kritična za sprječavanje curenja memorije i osiguravanje da su resursi dodijeljeni podklasom na odgovarajući način oslobođeni.
Drugi značajan aspekt ovog ponašanja je da C++ ne pohranjuje izravno novi i izbrisati operateri u VTablica. Umjesto toga, runtime koristi destruktor za provjeru je li pozvan odgovarajući operator brisanja. Bez ove metode, uništavanje objekta putem pokazivača osnovne klase rezultiralo bi nepotpunim oslobađanjem memorije, ostavljajući resurse bez upravljanja. Ovo naglašava važnost virtualnih destruktora u C++ hijerarhijama nasljeđivanja, osobito kada se koristi prilagođena dodjela memorije.
Često postavljana pitanja o C++ upravljanju memorijom
- Koja je svrha virtual destructor u C++?
- A virtual destructor osigurava da kada se objekt ukloni kroz pokazivač osnovne klase, poziva se destruktor za izvedenu klasu. To omogućuje ispravno čišćenje resursa.
- Da li delete operator biti pohranjen u VTable?
- Ne, delete operator se ne čuva u VTable. Destruktor je virtualan, osiguravajući da odgovarajući delete operator se odabire na temelju dinamičkog tipa objekta.
- Kako C++ određuje koji delete operatera zvati?
- C++ koristi dinamičko tipkanje putem vptr (virtualni pokazivač) za odabir odgovarajućeg delete operator na temelju tipa objekta koji se briše.
- Zašto je vptr važno u brisanju potklase?
- The vptr odnosi se na VTable, koja sadrži adrese za virtualne funkcije kao što je destruktor. Time se osigurava odgovarajuća verzija delete se izvršava kada se izbriše objekt podklase.
- Mogu li poništiti oba operator new i operator delete u C++?
- Nadjačavanje operator new i operator delete u bilo kojoj klasi omogućuje promjenu načina na koji se memorija dodjeljuje i oslobađa, kao što je ilustrirano u primjeru s X i ArenaAllocatedX.
Zaključak:
Odabir odgovarajućeg izbrisati operator u C++ zahtijeva razumijevanje interakcije virtualnih destruktora i dinamičkih tipova. Kada podklasa nadjačava funkcije upravljanja memorijom, prevodilac jamči da se odgovarajući operator koristi za uništavanje objekta.
Ova metoda štiti od curenja memorije i jamči da su resursi specifični za podklasu ispravno očišćeni. Kroz primjere i istraživanje VTable, tečaj osvjetljava ovu kritičnu komponentu C++ nasljeđivanja i kako jezik obrađuje oslobađanje memorije.
Izvori i reference
- Sadržaj u vezi s odabirom izbrisati operatora u C++ temeljio se na informacijama pronađenim u službenom C++ referentna dokumentacija .
- Ponašanje prevoditelja i pojedinosti o generiranju VTable istražene su pomoću resursa koje je osigurao GCC dokumentacija .
- Primjer koda je testiran i vizualiziran pomoću Compiler Explorer (Godbolt) alat koji simulira ponašanje kompilacije u stvarnom vremenu u različitim kompajlerima.