如何测量智能指针的内存开销 分析控制块和引用计数的内存占用

智能指针的内存开销主要包括智能指针对象本身的大小和控制块的大小。1. 使用sizeof运算符可测量智能指针对象的大小，如std::shared_ptr通常包含两个指针，其大小为两个指针的长度；2. 控制块大小可通过创建多个shared_ptr并比较内存使用差异来估算，控制块包含引用计数及管理信息；3. 自定义分配器可用于精确记录内存分配情况；4. 利用valgrind等工具辅助分析内存使用。此外，智能指针还带来性能开销，包括引用计数的原子操作、控制块的分配释放以及虚函数调用的间接性。对于控制块的分配，std::make_shared和std::allocate_shared可在一次分配中完成对象和控制块的创建，提升效率。选择合适的智能指针类型应根据场景决定：std::unique_ptr适用于独占所有权，std::shared_ptr用于共享所有权，而std::weak_ptr用于打破循环引用。循环引用问题可通过std::weak_ptr解决，其lock()方法可安全访问对象。std::shared_ptr的引用计数是线程安全的，但指向的对象需额外同步保护。自定义删除器支持灵活的资源清理方式，适用于非new分配资源、额外清理操作或不完整类型的处理。

智能指针的内存开销主要体现在两个方面：智能指针对象本身的大小，以及它所管理的控制块（包含引用计数等信息）的大小。理解这两部分的开销，对于优化内存使用至关重要。

解决方案

要测量智能指针的内存开销，可以采用以下方法：

1. sizeof 运算符： 这是最直接的方法，可以获取智能指针对象本身的大小。例如，sizeof(std::shared_ptr<int>)会返回std::shared_ptr<int>对象的大小，通常是两个指针的大小（因为shared_ptr内部包含一个原始指针和一个指向控制块的指针）。

   

2. 控制块大小分析： 确定控制块的大小稍微复杂一些。std::shared_ptr的控制块包含引用计数（强引用计数和弱引用计数）以及其他可能的管理信息（例如，自定义删除器）。控制块的大小取决于编译器和标准库的实现。一种方法是创建多个shared_ptr指向同一个对象，然后观察进程的内存使用情况。通过比较前后内存使用的差异，可以估算出控制块的大小。

3. 自定义分配器： 使用自定义分配器可以更精确地控制内存分配，并测量分配的大小。可以创建一个自定义分配器，在每次分配和释放内存时记录分配的大小。然后，使用这个分配器来创建shared_ptr，并观察分配器报告的内存使用情况。

4. 工具辅助： 使用专业的内存分析工具（例如Valgrind、Dr. Memory）可以更详细地分析智能指针的内存使用情况。这些工具可以报告内存泄漏、无效内存访问以及内存分配的详细信息。

智能指针性能影响

智能指针并非没有代价。虽然它们简化了内存管理，避免了手动释放内存可能导致的错误，但同时也引入了一些性能开销。这种开销主要体现在以下几个方面：

• 引用计数的维护： 每次复制或销毁智能指针时，都需要更新引用计数。这涉及到原子操作，以确保线程安全。原子操作通常比普通操作慢，尤其是在高并发环境下。
• 控制块的分配和释放： 创建智能指针时，需要分配控制块；销毁智能指针时，需要释放控制块。这些分配和释放操作也会带来一定的性能开销。
• 虚函数表（vtable）的间接调用： 如果智能指针指向的是一个多态类型的对象，那么通过智能指针访问对象的方法时，需要通过虚函数表进行间接调用。这比直接调用函数要慢一些。

控制块是堆分配吗

在std::shared_ptr中，控制块通常是堆分配的，但这并非绝对。C++17引入了std::allocate_shared和std::make_shared，它们允许在一次内存分配中同时分配控制块和对象本身，从而提高效率。

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• std::make_shared： 强烈推荐使用std::make_shared来创建shared_ptr。它会在一次内存分配中同时分配控制块和对象，避免了两次分配的开销。此外，它还有助于减少内存碎片。
• std::allocate_shared： 类似于std::make_shared，但允许使用自定义分配器。这在需要更精细地控制内存分配时非常有用。

如何选择合适的智能指针

选择合适的智能指针类型对于编写安全高效的代码至关重要。C++提供了多种智能指针，每种都有其特定的用途和适用场景。

• std::unique_ptr： 用于独占所有权的场景。unique_ptr保证只有一个指针指向对象，当unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也会被自动销毁。unique_ptr非常轻量级，几乎没有额外的性能开销。
• std::shared_ptr： 用于共享所有权的场景。多个shared_ptr可以指向同一个对象，当最后一个shared_ptr被销毁时，对象才会被自动销毁。shared_ptr使用引用计数来跟踪对象的引用数量。
• std::weak_ptr： 用于解决shared_ptr可能导致的循环引用问题。weak_ptr不增加对象的引用计数，因此不会阻止对象被销毁。weak_ptr可以用来观察对象是否仍然存在。

避免循环引用

循环引用是使用std::shared_ptr时需要特别注意的问题。当两个或多个对象相互持有shared_ptr时，可能会形成循环引用，导致对象无法被正确释放，从而造成内存泄漏。

解决循环引用的方法通常是使用std::weak_ptr。weak_ptr不会增加对象的引用计数，因此不会阻止对象被销毁。当需要访问weak_ptr指向的对象时，可以调用weak_ptr::lock()方法来获取一个shared_ptr。如果对象已经被销毁，lock()方法会返回一个空的shared_ptr。

智能指针的线程安全性

std::shared_ptr的引用计数是线程安全的，这意味着多个线程可以同时增加或减少引用计数而不会导致数据竞争。但是，shared_ptr所指向的对象本身并不一定是线程安全的。如果多个线程同时访问或修改shared_ptr所指向的对象，仍然需要使用适当的同步机制（例如互斥锁）来保护对象。

自定义删除器

智能指针允许指定自定义删除器，用于在对象被销毁时执行特定的操作。自定义删除器可以是一个函数、函数对象或Lambda表达式。

自定义删除器在以下情况下非常有用：

• 管理非new分配的资源： 例如，可以使用自定义删除器来释放使用malloc分配的内存。
• 执行额外的清理操作： 例如，可以使用自定义删除器来关闭文件或释放网络连接。
• 处理不完整的类型： 例如，可以使用自定义删除器来销毁只有声明而没有定义的类型。

以上就是如何测量智能指针的内存开销 分析控制块和引用计数的内存占用的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！