面试题：C++ 复杂场景下指针初始化防野指针策略及内存管理

Question

假设你正在开发一个大型的多线程C++应用程序，其中涉及到复杂的对象层次结构和频繁的动态内存分配与释放。请描述在这种场景下，如何综合运用指针初始化策略、智能指针以及内存池等技术来有效地避免野指针，同时优化内存管理以提高性能和稳定性。并举例说明可能遇到的问题及解决方案。

Answer 1

指针初始化策略

1. 立即初始化：在声明指针变量时，马上给它赋一个合理的值，如nullptr。例如：

MyClass* ptr = nullptr;

2. 构造函数初始化：对于类中的指针成员变量，在构造函数的初始化列表中进行初始化。

class MyClass {
    AnotherClass* anotherPtr;
public:
    MyClass() : anotherPtr(nullptr) {}
};

智能指针的运用

1. std::unique_ptr：用于独占式资源管理，当std::unique_ptr离开作用域时，它所指向的对象会被自动释放。例如：

std::unique_ptr<MyComplexObject> obj = std::make_unique<MyComplexObject>();

2. std::shared_ptr：用于共享式资源管理，通过引用计数来控制对象的生命周期。当引用计数为0时，对象被释放。适用于多个部分需要访问同一对象的场景。

std::shared_ptr<CommonResource> resource = std::make_shared<CommonResource>();

3. std::weak_ptr：与std::shared_ptr配合使用，解决循环引用问题。std::weak_ptr不增加引用计数，它可以观察std::shared_ptr所管理的对象，但不会阻止对象被释放。

std::shared_ptr<ClassA> a = std::make_shared<ClassA>();
std::shared_ptr<ClassB> b = std::make_shared<ClassB>();
a->b = b;
b->a = a; // 循环引用
// 使用std::weak_ptr解决
std::shared_ptr<ClassA> a = std::make_shared<ClassA>();
std::shared_ptr<ClassB> b = std::make_shared<ClassB>();
a->b = b;
b->aWeak = std::weak_ptr<ClassA>(a);

内存池技术

1. 原理：内存池预先分配一块较大的内存空间，当需要分配内存时，直接从内存池中获取小块内存，而不是每次都调用系统的内存分配函数（如new）。当释放内存时，将小块内存归还内存池，而不是直接释放给系统。
2. 实现示例：

class MemoryPool {
    char* pool;
    size_t poolSize;
    size_t blockSize;
    char* freeList;
public:
    MemoryPool(size_t poolSize, size_t blockSize)
        : poolSize(poolSize), blockSize(blockSize) {
        pool = new char[poolSize];
        freeList = pool;
        for (size_t i = 0; i < poolSize - blockSize; i += blockSize) {
            reinterpret_cast<char**>(pool)[i / blockSize] = pool + i + blockSize;
        }
        reinterpret_cast<char**>(pool)[(poolSize - blockSize) / blockSize] = nullptr;
    }
    ~MemoryPool() { delete[] pool; }
    void* allocate() {
        if (freeList == nullptr) return nullptr;
        void* result = freeList;
        freeList = *reinterpret_cast<char**>(freeList);
        return result;
    }
    void deallocate(void* ptr) {
        *reinterpret_cast<char**>(ptr) = freeList;
        freeList = reinterpret_cast<char*>(ptr);
    }
};

可能遇到的问题及解决方案

1. 内存泄漏：
   • 问题：智能指针使用不当，如忘记在合适的地方释放对象，或者循环引用导致对象无法释放。
   • 解决方案：仔细检查智能指针的作用域和引用关系，使用std::weak_ptr解决循环引用问题。
2. 性能瓶颈：
   • 问题：内存池分配和释放算法不合理，导致内存碎片或者分配释放时间过长。
   • 解决方案：优化内存池算法，例如采用更高效的空闲链表管理，或者使用不同大小的内存块来适应不同的对象需求。
3. 野指针：
   • 问题：指针初始化不当，或者对象提前释放导致指针悬空。
   • 解决方案：严格遵循指针初始化策略，使用智能指针代替原始指针，确保对象生命周期得到正确管理。