Lựa chọn toán tử và quản lý bộ nhớ trong C++
Việc triển khai tùy chỉnh của Và các toán tử trong C++ mang lại sự tự do rất lớn trong việc quản lý bộ nhớ. Các toán tử này cung cấp cho các nhà phát triển quyền kiểm soát việc phân bổ và giải phóng bộ nhớ trong các lớp của họ. Việc phân lớp có thể dẫn tới sự nhầm lẫn, đặc biệt khi lựa chọn xóa bỏ toán tử để hủy đối tượng.
Trong trường hợp nạp chồng toán tử trong C++, việc chọn đúng toán tử có vẻ đơn giản vì lớp thực tế được biết đến khi phân bổ. Tuy nhiên, việc chọn toán tử xóa thích hợp có thể tinh tế hơn, đặc biệt khi con trỏ lớp cơ sở liên kết với một thể hiện của lớp dẫn xuất.
Khi một con trỏ lớp cơ sở xóa một đối tượng lớp dẫn xuất, C++ có sử dụng toán tử từ lớp cơ sở hay lớp dẫn xuất? Quyết định này có tác động đáng kể đến cách quản lý và giải phóng bộ nhớ, đặc biệt là trong các lớp có thuật toán quản lý bộ nhớ duy nhất.
Trong bài viết này, chúng ta nghiên cứu cách g++ xử lý việc lựa chọn toán tử xóa khi các lớp con ghi đè lên nó. Chúng ta sẽ sử dụng một ví dụ để chỉ ra cách thời gian chạy C++ quyết định dạng nào của được sử dụng và điều này ảnh hưởng như thế nào đến việc quản lý bộ nhớ trong thực tế.
| Yêu cầu | Ví dụ về sử dụng |
|---|---|
| operator delete | Đây là cách triển khai tùy chỉnh của toán tử xóa. Trong C++, bạn có thể ghi đè để tạo hành vi phân bổ bộ nhớ tùy chỉnh cho lớp của bạn. Như đã thấy trong tập lệnh, bộ nhớ được giải phóng rõ ràng bằng cách sử dụng std::free(ptr). |
| operator new | Tương tự với , việc triển khai tùy chỉnh này của cho phép bạn thiết lập hành vi phân bổ bộ nhớ tùy chỉnh. Nó được sử dụng để phân bổ bộ nhớ bằng cách sử dụng std::malloc(size) và gửi một thông báo tùy chỉnh chỉ định lớp nào được phân bổ bộ nhớ. |
| virtual destructor | Khi sử dụng con trỏ lớp cơ sở để xóa một đối tượng, gọi hàm hủy thích hợp. Trong ví dụ này, cả X và ArenaAllocatedX đều sử dụng hàm hủy ảo để quản lý việc phân bổ bộ nhớ một cách hợp lý. |
| gtest | các framework (GoogleTest) được sử dụng để tạo các bài kiểm tra đơn vị. Trong trường hợp này, nó sẽ kiểm tra xem có đúng không toán tử được sử dụng. Điều quan trọng là phải đảm bảo rằng các hành động cấp phát và giải phóng bộ nhớ được thử nghiệm rộng rãi trong nhiều tình huống khác nhau. |
| ASSERT_EQ | Macro này từ thư viện kiểm tra xem hai giá trị có bằng nhau hay không, điều này thường được sử dụng trong mã kiểm tra. Mặc dù được đơn giản hóa trong trường hợp này nhưng nó có thể được sử dụng để so sánh trạng thái bộ nhớ hoặc quá trình xóa trong thử nghiệm phức tạp hơn. |
| vptr | Vptr là một con trỏ ẩn được thêm vào các lớp có hàm ảo. Nó trỏ tới bảng ảo (VTable), trong đó chứa địa chỉ của các hàm ảo. Hiểu biết giải thích tại sao toán tử xóa thích hợp được gọi dựa trên kiểu động của đối tượng. |
| VTable | MỘT (Bảng ảo) là cấu trúc duy trì các tham chiếu đến các hàm ảo cho từng lớp bằng các phương thức ảo. Điều này rất quan trọng trong việc xác định toán tử xóa thích hợp cho các lớp dẫn xuất trong tập lệnh của chúng ta. |
| malloc | các chức năng cấp phát bộ nhớ động. Phong tục đã được sử dụng thay vì mới để nhấn mạnh việc quản lý bộ nhớ trực tiếp và mang lại sự linh hoạt hơn khi thử nghiệm các thuật toán phân bổ khác nhau. |
Quản lý bộ nhớ và xóa lựa chọn toán tử trong C++
Các tập lệnh được cung cấp trước đó tập trung vào cách C++ xác định toán tử khi làm việc với các đối tượng của lớp con. C++ cho phép nạp chồng Và xóa bỏ toán tử để xử lý các thuật toán phân bổ và phân bổ bộ nhớ tùy chỉnh. Điều này có liên quan trong trường hợp các lớp con có thể có các yêu cầu quản lý bộ nhớ khác với các lớp cơ sở của chúng. Các tập lệnh mẫu thể hiện điều này bằng cách tạo một lớp cơ sở và một lớp con ArenaAllocatedX, cả hai đều có cách triển khai tùy chỉnh của mới Và xóa bỏ các nhà khai thác.
Trong kịch bản đầu tiên, Và các toán tử bị quá tải để tạo ra các thông báo được chỉ định trong quá trình cấp phát và giải phóng bộ nhớ. Lớp cơ sở có một triển khai duy nhất, nhưng lớp con ArenaAllocatedX ghi đè lên nó. Điểm mấu chốt là cách C++ quyết định phiên bản nào của xóa bỏ toán tử để sử dụng khi một đối tượng bị phá hủy. Toán tử thích hợp được gọi cho cả hai X Và ArenaAllocatedX, vì kiểu động của đối tượng xác định điều này chứ không phải kiểu con trỏ (là ).
Kịch bản thứ hai giới thiệu khái niệm về Và . Đây là những điều quan trọng để hiểu cách C++ gửi các hàm ảo, bao gồm cả hàm hủy. Mặc dù toán tử xóa không có trong VTable, nhưng hàm hủy ảo đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng toán tử xóa phù hợp được gọi dựa trên kiểu động của đối tượng. Hàm hủy đảm bảo rằng khi một con trỏ trỏ đến một ArenaAllocatedX đối tượng của lớp con hoạt động được gọi.
Cuối cùng, tập lệnh cuối cùng sẽ thêm các bài kiểm tra đơn vị bằng cách sử dụng khung GoogleTest. Kiểm thử đơn vị là rất quan trọng để đảm bảo rằng các chức năng quản lý bộ nhớ thích hợp được thực thi trong nhiều bối cảnh khác nhau. Chúng tôi sử dụng để đảm bảo rằng cả lớp cơ sở và lớp con đều phân bổ và xóa bộ nhớ một cách chính xác bằng cách sử dụng các toán tử tương ứng. Điều này giúp đảm bảo rằng không xảy ra rò rỉ bộ nhớ hoặc phân bổ không phù hợp, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng phụ thuộc nhiều vào quản lý bộ nhớ động, đặc biệt là trong phần mềm yêu cầu tốc độ cao.
Nhìn chung, các tập lệnh này cho thấy cách C++ xử lý tình trạng nạp chồng toán tử đồng thời nhấn mạnh sự cần thiết của hàm hủy ảo và xác định kiểu động khi quản lý bộ nhớ trong hệ thống phân cấp kế thừa. Hiểu cơ chế của VTable và vai trò của giải thích tại sao thích hợp toán tử được chọn trong thời gian chạy, đảm bảo xử lý bộ nhớ thích hợp trong cả hệ thống phân cấp lớp cơ bản và phức tạp.
Quản lý bộ nhớ và xóa lựa chọn toán tử trong C++
Tập lệnh này sử dụng cách tiếp cận C++ thuần túy để tìm hiểu cách chọn toán tử xóa khi các lớp con ghi đè lên nó. Chúng tôi kiểm tra tình trạng quá tải của toán tử thay thế trong lớp và các lớp con bằng cơ chế quản lý bộ nhớ chính xác.
#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;}
Khám phá VTable trong C++ để xóa toán tử
Tập lệnh này tạo các bảng ảo và sử dụng hàm hủy ảo để xác định cách chọn toán tử xóa. Cờ của trình biên dịch g++ và các công cụ xử lý bộ nhớ cụ thể được sử dụng để xem cấu trúc của 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;}
Kiểm tra đơn vị để xử lý bộ nhớ trong C++
Tập lệnh này cung cấp các bài kiểm tra đơn vị cho cả kịch bản cấp phát và xóa bộ nhớ, dựa trên các khung kiểm tra C++ như GoogleTest để đảm bảo rằng các phương thức xóa của toán tử được gọi đúng cách.
#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();}
Hiểu về quản lý bộ nhớ ngoài những điều cơ bản
Trong C++, quản lý bộ nhớ liên quan đến việc xác định cái nào toán tử để sử dụng khi một đối tượng bị xóa, đặc biệt trong các trường hợp phân lớp con. Trong những trường hợp như vậy, C++ sử dụng khái niệm gõ động để xác định loại thực tế của đối tượng khi chạy. Điều này là cần thiết vì khi tham chiếu lớp cơ sở trỏ đến một đối tượng của lớp dẫn xuất, toán tử hủy và xóa của lớp dẫn xuất phải được gọi.
Trong ví dụ đã cho, lớp cơ sở và lớp con tạo ra các phiên bản riêng của họ Và xóa bỏ các nhà khai thác. Khi một đối tượng bị xóa, C++ sẽ kiểm tra kiểu của nó bằng cách sử dụng (con trỏ ảo) kỹ thuật. Hàm hủy là ảo, đảm bảo rằng trình tự xóa bắt đầu bằng lớp con và gọi thao tác xóa chính xác cho kiểu động của đối tượng. Phương pháp này rất quan trọng để ngăn chặn rò rỉ bộ nhớ và đảm bảo rằng các tài nguyên được phân bổ bởi lớp con được giải phóng một cách thích hợp.
Một khía cạnh quan trọng khác của hành vi này là C++ không lưu trữ trực tiếp Và các nhà khai thác trong . Thay vào đó, bộ thực thi sử dụng hàm hủy để xác minh rằng toán tử xóa thích hợp đã được gọi. Nếu không có phương thức này, việc hủy bỏ một đối tượng thông qua một con trỏ lớp cơ sở sẽ dẫn đến việc phân bổ bộ nhớ không đầy đủ, khiến tài nguyên không được quản lý. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của hàm hủy ảo trong hệ thống phân cấp kế thừa C++, đặc biệt khi sử dụng cấp phát bộ nhớ tùy chỉnh.
Câu hỏi thường gặp về quản lý bộ nhớ C++
- Mục đích của việc này là gì trong C++?
- MỘT đảm bảo rằng khi một đối tượng được loại bỏ thông qua một con trỏ lớp cơ sở, hàm hủy của lớp dẫn xuất sẽ được gọi. Điều này cho phép dọn dẹp tài nguyên chính xác.
- Liệu toán tử có được lưu trữ trong VTable không?
- Không, cái toán tử không được lưu trong VTable. Hàm hủy là ảo, đảm bảo rằng toán tử được chọn dựa trên kiểu động của đối tượng.
- C++ xác định cái nào nhà điều hành để gọi?
- C++ sử dụng kiểu gõ động thông qua (con trỏ ảo) để chọn thích hợp toán tử dựa trên loại đối tượng bị xóa.
- Tại sao là quan trọng trong việc xóa lớp con?
- các đề cập đến VTable, chứa địa chỉ cho các hàm ảo như hàm hủy. Điều này đảm bảo rằng phiên bản thích hợp của được thực thi khi một đối tượng lớp con bị xóa.
- Tôi có thể ghi đè cả hai không Và trong C++?
- Ghi đè Và trong bất kỳ lớp nào đều cho phép bạn thay đổi cách phân bổ và giải phóng bộ nhớ, như được minh họa trong ví dụ với Và ArenaAllocatedX.
Lựa chọn thích hợp toán tử trong C++ yêu cầu hiểu cách các hàm hủy ảo và kiểu động tương tác với nhau. Khi một lớp con ghi đè các chức năng quản lý bộ nhớ, trình biên dịch đảm bảo rằng toán tử thích hợp được sử dụng để hủy đối tượng.
Phương pháp này bảo vệ chống rò rỉ bộ nhớ và đảm bảo rằng các tài nguyên dành riêng cho lớp con được dọn sạch một cách chính xác. Thông qua các ví dụ và khám phá VTable, khóa học làm sáng tỏ thành phần quan trọng này của kế thừa C++ và cách ngôn ngữ xử lý việc phân bổ bộ nhớ.
- Nội dung liên quan đến việc lựa chọn các toán tử trong C++ được dựa trên thông tin tìm thấy trong tài liệu chính thức Tài liệu tham khảo C++ .
- Hành vi của trình biên dịch và chi tiết tạo VTable đã được khám phá thông qua các tài nguyên được cung cấp bởi Tài liệu GCC .
- Mã ví dụ đã được kiểm tra và hiển thị bằng cách sử dụng Trình biên dịch Explorer (Godbolt) công cụ mô phỏng hành vi biên dịch thời gian thực trên các trình biên dịch khác nhau.