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面经C++编译和底层

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面经 C++ 编译和底层

C++源文件从文本到可执行文件经历的过程

四个过程。

  1. 预处理阶段：对源代码文件中文件包含关系（头文件）、预编译语句（宏定义）进行分析和替换，生成预编译 .i 文件
  2. 编译阶段：对预编译文件进行语法分析（关键字、标识符），语义分析等，转换成特定汇编代码，生成.s汇编文件
  3. 汇编阶段：将编译阶段生成的汇编文件转化成机器码，生成可重定位目标文件 .o 文件
  4. 链接阶段：将多个目标文件及所需要的库连接成最终的可执行目标文件。连接过程主要解决源代码的相互依赖问题，分为静态连接和动态连接。

#include尖括号和双引号的区别

编译器预处理阶段查找头文件的路径不一样。

  • 尖括号：直接从系统目录里查找 头文件。系统目录主要有：编译时 -I 参数指定的头文件搜索路径，系统变量CPLUS_INCLUDE_PATH/C_INCLUDE_PATH指定的头文件路径
  • 双引号：先从当前目录搜索头文件，然后从系统目录中搜索

include头文件的顺序

malloc原理，以及系统调用

Malloc函数用于动态分配内存。为了减少内存碎片和系统调用的开销，malloc采用内存池的方式，先申请大块内存作为堆区，然后将堆区分为多个内存块，以块作为内存管理的基本单位。当用户申请内存时，直接从堆区分配一块合适的空闲块。Malloc采用隐式链表结构将堆区分成连续的、大小不一的块，包含已分配块和未分配块；同时malloc采用显示链表结构来管理所有的空闲块，即使用一个双向链表将空闲块连接起来，每一个空闲块记录了一个连续的、未分配的地址。

当进行内存分配时，Malloc会通过显式链表，根据待分配内存大小在直接从合适的链表中寻找空闲块；当进行内存合并时，malloc采用边界标记法，根据每个块的前后块是否已经分配来决定是否进行块合并。

Malloc在申请内存时，一般会通过brk或者mmap系统调用进行申请。其中当申请内存小于128K时，会使用系统函数brk在堆区中分配；而当申请内存大于128K时，会使用系统函数mmap在映射区分配。

C++的内存管理

对于32位CPU可寻址4G线性空间，其中0-3G是用户态空间，3-4G是内核空间，不同进程相同的逻辑地址会映射到不同的物理地址中,其逻辑地址其划分如下: (前三个为静态区 后 三个为动态区)

  • 代码段：用于存放代码和字符常量
  • 数据段：用于存放已经初始化的全局变量和局部静态变量
  • bss段：用于存放未初始化的全局变量和局部静态变量，或初始化未0的全局局部静态变量
  • 堆区：用于程序运行过程中，用户自行动态分配的管理的内存区域
  • 栈区：用于函数调用时，存放函数的局部变量，函数返回地址，返回值等，由操作系统分配和管理。在创建进程时会有一个最大栈大小
  • mmap映射区：用于存储动态库等文件映射，同时malloc也可以通过系统调用申请大内存

如何判断内存泄漏

内存泄漏通常是由于调用了malloc/new等内存申请的操作，但是缺少了对应的free/delete。为了判断内存是否泄露，我们一方面可以使用linux环境下的内存泄漏检查工具Valgrind，另一方面我们在写代码时可以添加内存申请和释放的统计功能，统计当前申请和释放的内存是否一致，以此来判断内存是否泄露。

内存泄漏的分类：

  1. 堆内存泄漏 （Heap leak）。堆内存指的是程序运行中根据需要分配通过malloc,realloc new等从堆中分配的一块内存，再是完成后必须通过调用对应的 free或者delete 删掉。如果程序的设计的错误导致这部分内存没有被释放，那么此后这块内存将不会被使用，就会产生Heap Leak.
  2. 系统资源泄露（Resource Leak）。主要指程序使用系统分配的资源比如 Bitmap,handle ,SOCKET等没有使用相应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能降低，系统运行不稳定。
  3. 没有将基类的析构函数定义为虚函数。当基类指针指向子类对象时，如果基类的析构函数不是virtual，那么子类的析构函数将不会被调用，子类的资源没有正确是释放，因此造成内存泄露。

什么时候会发生段错误

段错误通常发生在访问非法内存地址的时候，具体来说分为以下几种情况：

  • 使用野指针
  • 试图修改字符串常量的内容

说一下共享内存相关api

Linux允许不同进程访问同一个逻辑内存，提供了一组API，头文件在sys/shm.h中。

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/* 新建共享内存: 
key：共享内存键值，可以理解为共享内存的唯一性标记。
size：共享内存大小
shmflag：创建进程和其他进程的读写权限标识。
返回值：相应的共享内存标识符，失败返回-1*/
int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);  // 新建共享内存

/* 连接共享内存到当前进程的地址空间shmat
shm_id：共享内存标识符
shm_addr：指定共享内存连接到当前进程的地址，通常为0，表示由系统来选择。
shmflg：标志位
返回值：指向共享内存第一个字节的指针，失败返回-1*/
void *shmat(int shm_id,const void *shm_addr,int shmflg);

/* 当前进程分离共享内存shmdt */
int shmdt(const void *shmaddr);

/* 控制共享内存shmctl
和信号量的semctl函数类似，控制共享内存
shm_id：共享内存标识符
command: 有三个值   IPC_STAT:获取共享内存的状态，把共享内存的shmid_ds结构复制到buf中。
                   IPC_SET:设置共享内存的状态，把buf复制到共享内存的shmid_ds结构。
                   IPC_RMID:删除共享内存
				  buf：共享内存管理结构体。*/
int shmctl(int shm_id,int command,struct shmid_ds *buf);

shmget 将键和共享内存 绑定，返回的是一个类似文件句柄的东西（只不过这个文件的存储载体是内存）；shmat 将前面的文件映射至当前进程的 文件映射区，返回映射后的地址，这个地址是用户地址空间文件映射区的地址。 通过 shmctl 读写共享内存

new 和 malloc 的区别

  1. new 是 c++ 的一个关键字，而 malloc 是函数。
  2. new 会根据对象的大小自动分配相同大小的内存，并且会默认调用类的构造函数，而malloc只能自己使用sizeof设定需要分配大小
  3. new分配的后返回的是指向类的指针，而 malloc返回的是void指针，需要自行进行类型转换
  4. new分配使用delete释放，malloc与之对应的是free
  5. new如果内存申请失败会抛出异常，而malloc则返回空指针
  6. malloc分配的内存不够时，可以调用 relloc 进行扩容，而new没有这个操作
  7. 申请数组时： new[]一次分配所有内存，多次调用构造函数，搭配使用delete[]，delete[]多次调用析构函数，销毁数组中的每个对象。而malloc则只能sizeof(int) * n。

在默认情况下，new操作的自由存储区和堆等价，但是可以通过重载操作符，改用其他内存来实现自由存储，例如全局变量做的对象池，这时自由存储区就区别于堆了。

C++如何处理内存泄漏

  1. 首先可以 使用 编辑器的 查找功能查看是否使用了 成对的 new 和 delete 语句。这样能有个粗略的判断。
  2. 然后话可以在 类中增加一个静态成员变量，在构造函数中 加，在析构函数中减；最后程序结束输出该计数值，应该为0才对，但是这样只能解决自身编写的类来检查
  3. 有可能是 析构函数不是虚函数，就无法调用子类的析构函数释放子类申请的空间，还要注意子类中有没有调用父类的析构函数释放父类中申请空间。
  4. 认真检查代码逻辑，是否有提前跳出的位置。
  5. 可以使用智能指针代替指针

使用varglind，mtrace检测

C++函数编译

无论是全局函数，还是类中的成员函数，C++都是将函数名重新编码为一个新的函数名。如果在类中的函数，它会根据类的名字和函数名字共同编码生成一个新的名字，保证全局所有函数的名字唯一性。而类的成员函数在编译阶段如何和类以及成员变量关联的呢？方法就是给成员函数添加一个隐藏的对象指针，函数内部访问类成员时通过对象指针访问，这样就将成员函数和成员变量关联了起来。同理，我们常用的 bin 的绑定方法，绑定类成员函数的方法，可以指定不同的对象指针，他们的成员函数的值可能不同，就实现了不同对象的成员函数的绑定。