函数中堆分配与缺少堆分配的影响

Posted 2023-02-21

【中文标题】函数中堆分配与缺少堆分配的影响

【英文标题】：Effect of heap allocation vs lack of heap allocation in a function

【发布时间】：2020-07-13 19:19:26

【问题描述】：

我已经设法使用观察者设计模式编写了一个实现生命游戏的程序，但似乎我的一个函数 Grid::init() 仅在我在堆上分配单元并且不否则不行。下面是 Grid 的类定义。

// Grid class
// Grid is initially empty. Sets up a TextDisplay observer when init() is called
// and the grid is initialized with cell objects.
class Grid 
    TextDisplay *td = nullptr;         
    std::vector<std::vector<Cell>> cells; 
    size_t size; 
 
  public:
    ~Grid(); 
    void setObserver(Observer *ob); 
  
    void init( size_t n );              
    void turnOn( size_t r, size_t c );  
    void tick();                        
    
    friend std::ostream & operator<<( std::ostream & out, const Grid & g );
;

Cell 是网格的一个单元，用于存储位置和状态等信息。我试图通过向量间接分配堆上的单元格来初始化网格，但这不起作用；相反，当我改变 网格类的单元格元素是一个

std::vector<:vector>> 实现成功了。

【问题讨论】：

我们可以在minimal reproducible example 中看到非功能代码吗？赔率是您不想复制的东西被复制并破坏了Rule of Three。

在stack版本中，附加了observer后，你是否还在grid中添加了cell？向向量中添加元素会导致向量被重新定位，从而使指向该向量中元素的所有指针无效。

在地址清理器下运行你的程序。地址清理器可能是 C++ 历史上为 C++ 程序员制作的最酷、最神奇、最好的工具。那，并删除不应复制的类上的复制构造函数/复制赋值运算符（对于初学者来说可能是Grid 和Cell，也可能是Observer）。一旦你做了这两件事，我可以再看看你的代码。否则，我唯一的一般建议是，您可能有指向 Cell 的悬空指针，并且在复制向量时，指向 std::vector 中元素的指针会发生变化。

要使用地址清理程序，如果您使用的是 Clang 或 GCC，请编译并链接到 -fsanitize=address。如果您不使用 Clang 或 GCC（如果您使用的是 MSVC），那么安装 Clang 或 GCC 可能是值得的，这样您就可以使用地址清理程序。 en.wikipedia.org/wiki/AddressSanitizergithub.com/google/sanitizers/wiki/AddressSanitizer

@DietrichEpp 我不能也不应该修改 Observer 类。

【参考方案1】：

我想我可能知道发生了什么。这段代码有几个问题，我想我已经弄清楚是什么问题组合导致了这种行为。

问题 #1： 类具有不安全的复制构造函数/复制赋值运算符。

一般来说，任何使用指针的类都应该覆盖复制构造函数、复制赋值操作符和析构函数。做到这一点的简单方法是干脆不使用指针，或者只使用智能指针，但这不是万能的。

特别是，Grid 复制是不安全的。 std::vector<Cell *> 和 std::vector<Cell> 版本都不安全……但原因不同！

问题 #2： 这个奇怪的模式：

TextDisplay newDisplay(n);
td = new TextDisplaynewDisplay;

这会构造 两个 TextDisplay 对象。一个是另一个的副本。通常，这可能只是创建一个对象的一种迂回或缓慢的方式，但只有在类没有上述问题 #1 时才会出现这种情况。

是什么导致了问题

如果您创建包含std::vector<Cell> 的Grid 副本，所有单元格的地址都会更改！这不适用于Cell *。

您应该通过删除 Grid 复制构造函数（和复制赋值运算符）来防止这种情况发生。

class Grid 
    Grid(const Grid &) = delete;
    Grid &operator=(const Grid &) = delete;
;

这可能会告诉你问题出在哪里。

摆脱裸指针

一般来说，现代 C++ 建议（自 2011 版以来）是使用智能指针而不是裸指针。

所以，不要使用Cell *，而是使用std::unique_ptr<Cell> 或std::shared_ptr<Cell>。

这不一定适用于“非拥有”指针，如 Subject 内部的 std::vector<Observer *>，它不适用于内部指针（如指向 std::vector<Cell> 中单个单元格的指针），但是……

您可能应该使用std::vector<std::vector<std::unique_ptr<Cell>>> 而不是std::vector<std::vector<Cell *>>

您可能应该使用std::unique_ptr<TextDisplay> 而不是TextDisplay *。

一般来说，如果你能找到避免调用new的方法，请避免调用new。

关于堆的说明

注意std::vector<Cell> 和std::vector<Cell *> 都在堆上分配。只是std::vector<Cell *>多了一层间接性。

堆 +-------------------+ +------+ | std::vector | --> |细胞 | +-------------------+ +------+ | ... | 堆 +---------+ +--------+ +------+ | std::vector | --> |单元格 * | --> |细胞 | +---------+ +--------+ +------+ | ... |

【讨论】：

摆脱裸指针是最好的建议，不幸的是，指针似乎是一些学生所学的。

@Gord452: 如果删除拷贝+拷贝赋值导致分段错误，那么你的程序有问题。调用cells.clear()会破坏cells中的所有对象但不会释放向量使用的内存。如果向量包含Cell *，则Cell 对象将不会被释放。

@Gord452：如果您有分段错误并且您不知道它在哪里，请尝试使用地址清理程序（-fsanitize=address 与 GCC 或 Clang）或附加调试器。地址清理程序通常是找出问题所在的最快方法。

@Gord452: 如果你想把单元格放在栈上，你不能使用std::vector 根本 因为std::vector 使用堆（除非你有一些古怪的分配器正在发生）。将单元格放入堆栈的最简单方法是使用固定大小的数组，例如Cell cell[20][20];。但请记住，每个单元格都有一个std::vector，所以它仍然会以这种方式使用堆。

@DietrichEpp 感谢您的回答，尽管我似乎仍然遇到问题。我已经更新了我的问题。