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c++ - c++中的内存管理优化

问题描述

我正在尝试实现一系列转换。表示变换前后的对象分别是A类和B类，用于以最小化复杂度来演示示例。换句话说，A类可以转换为B类，B类可以逆变换为A类。此外，在A类和B类的实现中使用std::unique_ptr的数据容器被提取到类Base中。基类如下所示。

class Base
{
public:
    Base()                                                                  //  Default constructor
    {
        this->size = 0;
    }

    ~Base()
    {
    }

    Base(int input_size, float input_value)                                 //  Constructor
    {
        this->size = input_size;
        this->data = std::make_unique<float[]>(input_size);
        for (int loop_number = 0; loop_number < size; loop_number++) {
            data[loop_number] = input_value;
        }
    }
    std::unique_ptr<float[]> get_data()
    {
        //  deep copy
        auto return_data = std::make_unique<float[]>(size);
        for (int loop_number = 0; loop_number < size; loop_number++) {
            return_data[loop_number] = data[loop_number];
        }
        return return_data;
    }
    int get_size()
    {
        return this->size;
    }
protected:
    int size;
    std::unique_ptr<float[]> data;
};

接下来，类A和类B继承类Base。

class B;

class A : public Base
{
public:
    A(int input_size, std::unique_ptr<int[]> const& input_data)                 //  constructor
    {
        std::cout << "Object A " << std::to_address(this) << " constructed.\n"; //  for observation
        this->size = input_size;
        this->data = std::make_unique<float[]>(this->size);
        for (int loop_number = 0; loop_number < input_size; loop_number++)
        {
            this->data[loop_number] = input_data[loop_number];                  //  Deep copy
        }
    }

    A& operator=(A const& InputImage)                                           //  Copy Assign
    {
        this->size = InputImage.size;
        for (int loop_number = 0; loop_number < this->size; loop_number++)
        {
            this->data[loop_number] = InputImage.data[loop_number];             //  Deep copy
        }
        return *this;
    }

    ~A()
    {
        std::cout << "Object A " << std::to_address(this) << " destructed.\n";  //  for observation
    }
    B to_B();

private:
    int transform_to_B(int input_value)
    {
        return std::cos(input_value); // For example
    }

};

class B : public Base
{
public:
    B(int input_size, std::unique_ptr<int[]> const& input_data)                 //  constructor
    {
        std::cout << "Object B " << std::to_address(this) << " constructed.\n"; //  for observation
        this->size = input_size;
        this->data = std::make_unique<float[]>(this->size);
        for (int loop_number = 0; loop_number < input_size; loop_number++)
        {
            this->data[loop_number] = input_data[loop_number];                  //  Deep copy
        }
    }
    auto to_A()
    {
        std::unique_ptr<int[]> transformed_data = std::make_unique<int[]>(this->size);
        for (int loop_number = 0; loop_number < this->size; loop_number++) {
            transformed_data[loop_number] = transform_to_A(this->data[loop_number]);
        }
        return A(this->size, transformed_data);
    }
    ~B()
    {
        std::cout << "Object B " << std::to_address(this) << " destructed.\n";  //  for observation
    }
private:
    int transform_to_A(int input_value)
    {
        return std::acos(input_value); // For example
    }
};

B A::to_B()
{
    std::unique_ptr<int[]> transformed_data = std::make_unique<int[]>(this->size);
    for (int loop_number = 0; loop_number < this->size; loop_number++) {
        transformed_data[loop_number] = transform_to_B(this->data[loop_number]);
    }
    return B(this->size, transformed_data);
}

主要功能是测试A类和B类的转换结果。

int main()
{
    const int size_for_testing = 3840 * 2160;
    auto data_for_testing = std::make_unique<int[]>(size_for_testing);
    for (int loop_number = 0; loop_number < size_for_testing; loop_number++) {
        data_for_testing[loop_number] = 1;                              //  for example
    }
    A a_object(size_for_testing, data_for_testing);

    for (int loop_times = 0; loop_times < 1000; loop_times++)           //  for observation
    {
        //  version 1
        a_object = a_object.to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A();
    }
    return 0;
}

控制台输出是

Object A 00000038FC19FE28 constructed.
Object B 00000038FC19FE10 constructed.
Object A 00000038FC19FE00 constructed.
Object B 00000038FC19FDF0 constructed.
Object A 00000038FC19FDE0 constructed.
Object B 00000038FC19FDD0 constructed.
Object A 00000038FC19FDC0 constructed.
Object A 00000038FC19FDC0 destructed.
Object B 00000038FC19FDD0 destructed.
Object A 00000038FC19FDE0 destructed.
Object B 00000038FC19FDF0 destructed.
Object A 00000038FC19FE00 destructed.
Object B 00000038FC19FE10 destructed.
Object B 00000038FC19FE10 constructed.
Object A 00000038FC19FE00 constructed.
Object B 00000038FC19FDF0 constructed.
......

我知道为处理而创建的中期对象在 for 循环的范围结束时被释放是有道理的。但是，如果出现更复杂的情况，例如a_object = a_object.to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A();，在保留这些中期对象时可能会导致巨大的内存消耗。我很好奇设计“在声明的范围结束时释放对象”的概念或哲学。它可能可以根据使用情况进行优化。

另一方面，如下所示的分离形式的内存使用与版本 1 相似。

        //  version 2
        auto temp1 = a_object.to_B();
        auto temp2 = temp1.to_A();
        auto temp3 = temp2.to_B();
        auto temp4 = temp3.to_A();
        auto temp5 = temp4.to_B();
        a_object = temp5.to_A();

为了尽量减少内存消耗，Lambda 表达式也被考虑如下。但是，内存使用也与版本 1 相似。

        //  version 3
        auto temp1 = [](auto& input_object) { return input_object.to_B(); }(a_object);
        auto temp2 = [](auto& input_object) { return input_object.to_A(); }(temp1);
        auto temp3 = [](auto& input_object) { return input_object.to_B(); }(temp2);
        auto temp4 = [](auto& input_object) { return input_object.to_A(); }(temp3);
        auto temp5 = [](auto& input_object) { return input_object.to_B(); }(temp4);
        auto a_object = [](auto& input_object) { return input_object.to_A(); }(temp5);

顺便说一句，这种 Lambda 表达式似乎无法合并如下。编译器弹出 C2664 错误并说 'auto main::::operator ()(_T1 &) const': cannot convert argument 1 from 'B' to '_T1 &'

a_object = [](auto& input_object) { return input_object.to_A(); }(
                        [](auto& input_object) { return input_object.to_B(); }(
                        [](auto& input_object) { return input_object.to_A(); }(
                        [](auto& input_object) { return input_object.to_B(); }(
                        [](auto& input_object) { return input_object.to_A(); }(
                        [](auto& input_object) { return input_object.to_B(); }(a_object))))));

最后，我的问题是：

1）我很好奇设计“在声明的范围结束时释放对象”的概念或哲学。它可能可以根据使用情况进行优化。

2）有没有更好的方法来减少这种级联结构的内存消耗，例如更复杂的情况a_object = a_object.to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A();？

环境：

CPU：英特尔® 酷睿™ i7-6700HQ 2.6GHz

内存：16GB

操作系统：Windows 10 1909

IDE：Microsoft Visual Studio Community 2019 版本 16.4.5

标签： c++optimizationmemory-managementc++20

解决方案

1）我很好奇设计“在声明的范围结束时释放对象”的概念或哲学。它可能可以根据使用情况进行优化。

它允许“安全”使用临时是该语句。

如果可观察行为相同，则 As-if 规则可能允许在之前解除分配。哪个更复杂，因为您在析构函数中有输出。

2）有没有更好的方法来减少这种级联结构的内存消耗，例如更复杂的情况 a_object = a_object.to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A( ).to_B().to_A().to_B().to_A().to_B().to_A();?

您可以为临时添加重载：

B A::to_B() &&
{
    std::unique_ptr<int[]> transformed_data = std::make_unique<int[]>(this->size);
    for (int loop_number = 0; loop_number < this->size; loop_number++) {
        transformed_data[loop_number] = transform_to_B(this->data[loop_number]);
    }
    auto Bsize = this->size;
    this->size = 0;
    this->data.reset(); // We clear here.
                        // Implementation might even really transfer the buffer
    return B(Bsize, std::move(transformed_data));
}

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