【C++】—— C/C++内存管理常见面试题

一、new和delete与malloc和free的区别

1、new和delete是操作符，malloc和free是函数。
2、使用new申请空间时，会对所申请的空间进行初始化，malloc则不会。
3、malloc在申请空间时，需手动计算所申请空间的大小，new只需在后面加上所开空间的类型即可，不用计算大小。

   以链表创建一个节点为例：
    eg：ListNode* newnode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
    ListNode* newnode = new ListNode;

4、malloc创建空间的返回类型是void*类型，需要进行强制类型转换，new开辟空间只需在new后加上所开空间的类型即可，不需要转换类型。
5、malloc在申请空间失败后悔返回NULL，所以使用malloc是需要进行判空操作，以免程序崩溃，new则不用，若new申请空间失败，则会抛出异常。
6、申请自定义类型对象时，malloc和free只会为对象开辟空间，不会调用构造函数对自定义对象进行初始化，也不会调用析构函数，new在使用时会调用构造函数进行初始化，delete则会调用析构函数完成对资源空间的清理。
7、new和delete相较于malloc和free的效率较低一些，因为new和delete的底层封装了malloc和free函数。

注：new和delete与malloc和free的共同点在于都是在堆上动态开辟空间的，都需要用户手动释放空间，否则会造成内存泄漏。

二、设计一个类，该类只能在堆上创建对象

设计方法：构造函数私有化

1. 将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝在栈上生成对象。
2. 提供一个静态的成员函数，在该静态成员函数中完成堆对象的创建

代码实现

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObject()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	HeapOnly() {}

	// C++98
	// 1.只声明,不实现。因为实现可能会很麻烦，而你本身不需要
	// 2.声明成私有
	HeapOnly(const HeapOnly&);

		// or

		// C++11
		HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

三、设计一个类，该类只能在栈上创建对象

方法类似上面
代码实现

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObject()
	{
		return StackOnly();
	}
private:
	StackOnly() {}
};

只能在栈上创建对象，即不能在堆上创建，因此只要将new的功能屏蔽掉即可，即屏蔽掉operator new和定位new表达式，注意：屏蔽了operator new，实际也将定位new屏蔽掉。

class StackOnly
{
public:
	StackOnly() {}
private:
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
};

四、单例模式

设计模式：
1、设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对砍。后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》。孙子兵法也是类似。
2、使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。
3、单例模式：一个类只能创建一个对象，即单例模式，该模式可以保证系统中该类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

单例模式有两种实现模式：

1、饿汉模式
就是说不管你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象
优点：简单，明了，容易理解，代码简洁。
缺点：可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return &m_instance;
	}

private:
	// 构造函数私有
	Singleton(){};

	// C++98 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);

	// or

	// C++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

	static Singleton m_instance;
};

Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

注：如果这个单例对象在多线程高并发环境下频繁使用，性能要求较高，那么显然使用饿汉模式来避免资源竞争，提高响应速度更好。

2、懒汉模式
如果单例对象构造十分耗时或者占用很多资源，比如加载插件啊， 初始化网络连接啊，读取文件啊等等，而有可能该对象程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。 所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好
优点：第一次使用实例对象时，创建对象。进程启动无负载。多个单例实例启动顺序自由控制。
缺点：复杂，难以理解，代码繁琐

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance() {
		// 注意这里一定要使用Double-Check的方式加锁，才能保证效率和线程安全
		if (nullptr == m_pInstance) {
			m_mtx.lock();
			if (nullptr == m_pInstance) {
				m_pInstance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return m_pInstance;
	}
	// 实现一个内嵌垃圾回收类
	class CGarbo {
	public:
		~CGarbo(){
			if (Singleton::m_pInstance)
				delete Singleton::m_pInstance;
		}
	};
	// 定义一个静态成员变量，程序结束时，系统会自动调用它的析构函数从而释放单例对象
	static CGarbo Garbo;
private:
	// 构造函数私有
	Singleton(){};
	// 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	static Singleton* m_pInstance; // 单例对象指针
	static mutex m_mtx; //互斥锁
};
Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;
void func(int n)
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}
// 多线程环境下演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别。
int main()
{
	thread t1(func, 10);
	thread t2(func, 10);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}