面试题：C++自定义内存管理机制与防止重复释放内存

Question

假设你要为一个大型C++项目设计一套自定义的内存管理机制，要求在多线程环境下高效运行且能防止重复释放内存导致野指针问题。请描述该机制的总体设计思路，包括内存分配策略、释放策略以及如何处理多线程竞争，同时说明如何与现有的C++智能指针体系协同工作。

Answer 1

总体设计思路

1. 内存分配策略：
   • 内存池：预先分配大块内存作为内存池，根据对象大小划分不同的内存块类型。这样可以减少频繁系统调用分配内存的开销。例如，对于小于一定字节数（如64字节）的对象，划分成小内存块；大于该字节数的，划分成大内存块。
   • 对象缓存：对于常用的对象大小，设置对象缓存。当请求分配特定大小对象时，先从对象缓存中查找是否有可用的空闲对象，若有则直接返回，避免每次都从内存池分配。
2. 释放策略：
   • 延迟释放：当对象被释放时，不立即归还给操作系统或内存池，而是标记为空闲放入相应的缓存或内存池。这样可以减少频繁内存回收操作，提高性能。
   • 引用计数：为每个对象添加引用计数。当对象引用计数降为0时，将对象放入延迟释放队列，等待合适时机统一处理。
3. 多线程竞争处理：
   • 锁机制：在内存池和对象缓存的关键操作（如分配、释放）上使用锁。例如，互斥锁（std::mutex）来保护共享资源，确保同一时间只有一个线程能进行内存分配或释放操作。
   • 无锁数据结构：对于一些频繁访问的结构，如对象缓存，可以考虑使用无锁数据结构（如无锁队列），以减少锁竞争带来的性能损耗。例如，使用无锁的单生产者 - 单消费者队列来管理延迟释放的对象。
   • 线程本地存储：对于每个线程，分配一部分本地内存用于临时对象的分配和释放。这样减少线程间竞争，只有当本地内存不足时才去竞争全局内存池。

与C++智能指针体系协同工作

1. 自定义智能指针：基于现有的C++智能指针模板（如std::unique_ptr和std::shared_ptr）进行扩展。自定义智能指针内部使用我们设计的内存管理机制进行对象的分配和释放。
2. 引用计数对接：自定义智能指针的引用计数操作与我们内存管理机制中的引用计数协同工作。例如，当自定义智能指针的引用计数减为0时，调用我们内存管理机制的延迟释放函数。
3. 资源管理策略：确保自定义智能指针遵循RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则，即对象生命周期结束时，自动调用我们设计的内存释放函数，保证内存正确释放。