C++ 内存模型（Memory Model）定义了程序中如何对内存进行访问、修改、以及多线程环境下的内存同步规则。它包含了对变量的存储方式、不同存储区的使用、对象的生命周期、以及编译器、硬件对内存的优化策略等多个方面。

内存布局

C++ 程序的内存通常被分为几个区域：

栈区 (Stack)：用于局部变量的存储，函数调用时会在栈上为局部变量分配空间，函数返回时自动释放。栈区的内存由系统管理，速度快，但空间有限。

堆区 (Heap)：通过动态内存分配（如 new、malloc）创建的对象位于堆区，需要手动管理内存（通过 delete 或 free 释放）。堆的大小比栈大，但操作相对较慢，容易出现内存泄漏。

全局/静态区 (Global/Static Memory)：用于存储全局变量、静态变量，它们在程序开始时分配，在程序结束时释放。静态区内的变量在程序运行期间始终存在。

常量区 (Text/Code Segment)：存放程序代码、只读数据（如字符串常量）。程序运行期间，这部分内存不可修改。

C++ 对象的生命周期

C++ 中对象的生命周期和内存分配密切相关：

自动存储周期 (Automatic Storage Duration)：局部变量存储于栈中，函数调用结束时自动销毁。

静态存储周期 (Static Storage Duration)：全局变量和静态局部变量，程序开始时分配，程序结束时销毁。

动态存储周期 (Dynamic Storage Duration)：通过 new、malloc 动态分配的内存，在程序显式调用 delete 或 free 之前一直存在。

多线程与内存模型

C++11 引入了明确的内存模型，特别是关于多线程的部分。在多线程编程中，访问共享变量时可能会遇到竞争条件（race condition）。为了解决这些问题，C++ 标准提供了以下机制：

原子操作 (Atomic Operations)：C++ 提供了 std::atomic 类模板，用于进行不可分割的原子操作，确保多个线程访问同一个变量时不会产生数据竞争。

内存序 (Memory Ordering)

C++11 引入了内存顺序模型，规定了在多线程环境下不同操作的执行顺序。常见的内存序有：

  • 顺序一致性 (Sequential Consistency)：所有线程的操作按照程序中的顺序执行，确保全局的执行顺序一致。
  • 松散顺序 (Relaxed Ordering)：允许编译器和处理器重排序，以提高性能，但可能导致不可预期的执行顺序。
  • 获取-释放 (Acquire-Release)：用于同步访问，例如在一个线程中获取资源（acquire），并在另一个线程中释放资源（release），确保同步的正确性。
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<int> x(0), y(0);

void thread1() {
    x.store(1, std::memory_order_release);
}

void thread2() {
    while (x.load(std::memory_order_acquire) == 0) {}
    // 此时可以安全地访问在thread1中x.store之前的所有写入
}
  • memory_order_relaxed: 最宽松的内存序，只保证当前操作的原子性。适用于只需要保证操作原子性的场景，如计数器。
  • memory_order_consume: 用于读操作，建立了获取-消费(acquire-consume)同步关系。
  • memory_order_acquire: 用于读操作，建立了获取(acquire)同步关系。
  • memory_order_release: 用于写操作，建立了释放(release)同步关系。(与memory_order_acquire配对使用可以建立同步关系，确保release之前的所有写入对acquire之后的读取可见。)
  • memory_order_acq_rel: 同时具有acquire和release语义。
  • memory_order_seq_cst: 最严格的内存序，提供全序关系，但可能带来性能开销。

4. C++ 内存模型中的问题

  • 内存泄漏 (Memory Leak)：程序动态分配的内存没有及时释放，导致内存占用不断增加。
  • 悬空指针 (Dangling Pointer)：指针指向的内存已经被释放，但指针依旧引用该内存，使用这种指针可能会导致不可预测的行为。
  • 内存越界 (Memory Overrun)：访问未分配的内存，可能导致程序崩溃或意外的行为。

5. 内存模型优化

编译器和硬件在运行程序时，会进行各种优化（例如缓存、指令重排等）。但这些优化在多线程环境中可能会导致不可预期的结果。为了避免这种情况，C++ 提供了 volatile、内存屏障（memory barriers）等机制来控制优化行为。

volatile 关键字：告诉编译器不要对标记为 volatile 的变量进行优化，因为该变量可能会被外部（如硬件或另一个线程）修改。

内存屏障 (Memory Barriers)：内存屏障是一种硬件级的指令，确保在屏障之前的内存操作在屏障之后的操作之前完成。C++11 通过标准库提供了内存屏障的支持。

6. 内存对齐 (Memory Alignment)

C++ 对对象的内存存储有对齐要求，确保每个变量都存储在合适的边界上，以提高内存访问的效率。不同平台对内存对齐的要求不同，编译器可能会自动插入填充字节以满足对齐需求。

通过使用 alignas 和 alignof 关键字，C++11 开始支持手动控制对齐。

浅拷贝与深拷贝

实现深拷贝的时候，需要手动分配以及释放各种动态类型对象，可以考虑使用智能指针来管理内存，减少手动释放内存的风险