Delphi記憶體管理與效能最佳化

Delphi 的記憶體管理機制直接影回應用程式的效能和穩定性。理解記錄、類別和介面的生命週期與正確使用方法至關重要。記錄的欄位初始化和終止透過 Initialize 和 Finalize 方法自動管理。類別是參考型別，例項位於堆積疊，需手動管理生命週期，使用 FreeAndNil 避免懸掛指標。介面則透過參考計數機制自動管理，計數歸零時物件自動銷毀。此外，方法呼叫的最佳化技巧，例如使用 const 字首傳遞大型資料結構、避免在方法內修改 const 引數、理解動態和開放陣列的差異，以及善用方法內聯，都能有效提升程式效能。指標操作可以直接控制記憶體位址，避免資料複製和額外運算，進一步提升效能。

深入理解Delphi的記憶體管理

Delphi作為一門強大的程式語言，其記憶體管理機制對於開發高效、穩定的應用程式至關重要。本文將探討Delphi中的記錄（Record）、類別（Class）以及介面（Interface）的記憶體管理機制。

自訂管理記錄

自訂管理記錄（Custom Managed Records）是Delphi提供的一種強大的工具，它允許開發者對記錄進行精細的記憶體管理。管理記錄可以包含需要初始化和終止的欄位，如字串、介面或動態陣列。

程式碼範例：

type
  TCustomRecord = record
    arr: array of Integer;
    str: string;
    procedure Initialize;
    procedure Finalize;
  end;

procedure TCustomRecord.Initialize;
begin
  SetLength(arr, 3);
  str := 'Initialized';
end;

procedure TCustomRecord.Finalize;
begin
  // 自動管理arr和str的記憶體
end;

var
  rec: TCustomRecord;
begin
  rec.Initialize;
  // 使用rec
  // ...
end; // rec自動終止，釋放記憶體

內容解密：

TCustomRecord是一個自訂管理記錄，包含一個動態陣列arr和一個字串str。
Initialize方法初始化記錄的欄位，包括設定動態陣列的長度和字串的初始值。
Finalize方法由編譯器自動呼叫，用於終止記錄的欄位，釋放相關的記憶體。
在使用完rec後，無需手動釋放記憶體，編譯器會自動處理。

類別

類別（Class）是Delphi中另一種重要的資料型別。與記錄不同，類別是參考型別，其例項儲存在堆積疊上，需要手動管理其生命週期。

程式碼範例：

type
  TCustomObject = class
  private
    FData: Integer;
  public
    constructor Create;
    destructor Destroy; override;
  end;

constructor TCustomObject.Create;
begin
  inherited;
  FData := 0; // 初始化資料
end;

destructor TCustomObject.Destroy;
begin
  // 釋放資源
  inherited;
end;

var
  obj1, obj2: TCustomObject;
begin
  obj1 := TCustomObject.Create;
  obj2 := obj1; // obj1和obj2指向同一個物件
  obj1.Free; // 銷毀物件，但obj2仍指向已釋放的記憶體
  obj1 := nil; // 設定obj1為nil，避免懸掛指標
  // obj2仍為懸掛指標，應避免使用
end;

內容解密：

TCustomObject是一個類別，具有建構函式和解構函式。
當建立TCustomObject的例項時，記憶體會從記憶體管理器分配，並初始化為零。
將一個類別型別的變數指定給另一個變數，只是複製了參考指標，兩者指向同一個物件。
銷毀物件後，應將相關變數設定為nil，以避免懸掛指標。建議使用FreeAndNil函式。

介面

介面（Interface）在Delphi中實作了參考計數的記憶體管理機制。當建立一個介面例項時，其參考計數為1；每當將該介面指定給另一個變數時，參考計數遞增。當參考計數降至0時，實作該介面的物件會被自動銷毀。

程式碼範例：

type
  IMyInterface = interface
    ['{GUID}']
    procedure MyMethod;
  end;

  TMyClass = class(TInterfacedObject, IMyInterface)
    procedure MyMethod;
  end;

var
  intf1, intf2: IMyInterface;
begin
  intf1 := TMyClass.Create; // intf1指向物件，參考計數為1
  intf2 := intf1; // intf1和intf2指向同一物件，參考計數為2
  intf1 := nil; // intf2指向物件，參考計數為1
  intf2 := nil; // 物件被銷毀，參考計數為0
end;

內容解密：

IMyInterface是一個介面，TMyClass是其實作類別，繼承自TInterfacedObject以支援參考計數。
當建立TMyClass的例項並指定給intf1時，其參考計數為1。
將intf1指定給intf2後，參考計數遞增至2。
當intf1和intf2先後被設定為nil時，參考計數降至0，物件被自動銷毀。

方法呼叫最佳化

在Delphi中，方法引數可以透過值傳遞或參考傳遞。值傳遞會建立原始值的副本，而參考傳遞則直接傳遞原始值的參考。

程式碼範例：

procedure ByValue(varParam: Integer);
begin
  varParam := varParam + 1; // 修改副本，不影響原始值
end;

procedure ByReference(var varParam: Integer);
begin
  varParam := varParam + 1; // 修改原始值
end;

var
  value: Integer;
begin
  value := 10;
  ByValue(value); // value仍為10
  ByReference(value); // value變為11
end;

內容解密：

ByValue過程透過值傳遞接收引數，對引數的修改不影響原始值。
ByReference過程透過參考傳遞（使用var關鍵字）接收引數，對引數的修改直接影響原始值。

綜上所述，理解Delphi中的記憶體管理機制對於開發高效、穩定的應用程式具有重要意義。合理利用自訂管理記錄、類別和介面，並注意方法呼叫的最佳化，可以顯著提升程式的效能和可維護性。

最佳化方法呼叫：引數傳遞的藝術

在程式設計中，方法呼叫是一項基本的操作，而引數傳遞則是其中的關鍵一環。不同的引數傳遞方式會對程式的效能和行為產生不同的影響。在本章中，我們將探討 Delphi 中引數傳遞的機制和最佳化技巧。

傳值與傳參考

在 Delphi 中，引數可以透過兩種方式傳遞：傳值（by value）和傳參考（by reference）。傳值是指將引數的值複製一份並傳遞給方法，而傳參考則是將引數的記憶體位址傳遞給方法。

當引數是簡單型別（如整數或浮點數）時，傳值和傳參考的差異不大。然而，當引數是複雜型別（如陣列或記錄）時，傳值的成本就會顯著增加，因為需要複製整個資料結構。

使用 `var`、`out` 和 `const` 字首

為了最佳化引數傳遞，Delphi 提供了 var、out 和 const 字首來控制引數的傳遞方式。

var 字首表示引數是傳參考的，並且方法可以修改原始值。
out 字首與 var 類別似，但它表示方法不會使用原始值，只會修改它。
const 字首表示引數是傳參考的，但方法不會修改原始值。

程式碼範例：使用 `var` 和 `const` 字首

procedure TfrmParamPassing.ProcString(s: string);
begin
  // 啟用下一行，程式碼將變得更慢
  // s[1] := 'a';
end;

procedure TfrmParamPassing.ScanDynArrayConst(const arr: TArray<Integer>);
begin
  // 奇怪的是，編譯器允許這行程式碼
  arr[1] := 42;
end;

內容解密：

在上述程式碼中，ProcString 方法演示了字串引數的傳遞。當 s 引數被修改時，會觸發 copy-on-write 機制，導致效能下降。ScanDynArrayConst 方法則展示了動態陣列引數的特殊行為。儘管 arr 被標記為 const，仍然可以修改原始陣列。

動態陣列與開放陣列引數

在 Delphi 中，動態陣列和開放陣列引數是兩個不同的概念。

動態陣列是一種可以在執行期動態調整大小的陣列。
開放陣列引數則是一種允許方法接受不同大小的靜態陣列的引數。

程式碼範例：動態陣列與開放陣列引數

type
  TArray<T> = array of T;

procedure TfrmParamPassing.ScanDynArray(arr: TArray<Integer>);
begin
  arr[1] := 42;
end;

procedure TfrmParamPassing.ScanDynArray2(arr: array of Integer);
begin
  arr[1] := 42;
end;

內容解密：

上述程式碼中，ScanDynArray 方法接受一個動態陣列引數，而 ScanDynArray2 方法則接受一個開放陣列引數。兩者的行為有所不同：動態陣列引數總是傳參考，而開放陣列引數則會根據情況進行複製或傳參考。

最佳實踐

使用 const 字首來最佳化大型資料結構的傳遞。
避免在方法內修改 const 引數，除非你清楚瞭解其後果。
使用 var 或 out 字首來明確表示方法會修改引數。
注意動態陣列和開放陣列引數的區別，以避免意外的行為。

最佳化方法呼叫：探討Delphi中的引數傳遞與方法內聯

在Delphi程式設計中，理解引數傳遞的機制和方法內聯的技術對於最佳化程式碼效能至關重要。本文將探討這些主題，並透過例項演示其應用。

引數傳遞：靜態陣列、開放陣列與動態陣列

Delphi支援多種陣列型別，包括靜態陣列、開放陣列和動態陣列。它們在引數傳遞時的行為各不相同。

靜態陣列

靜態陣列在傳遞給函式時，可以透過值傳遞或參照傳遞。如果透過值傳遞，整個陣列會被複製，這可能導致效能問題。相反，透過參照傳遞則只傳遞陣列的指標，效率更高。

procedure TfrmParamPassing.ScanStaticArray(const arr: array [1..10] of Integer);
begin
  // 可以存取arr，但不能修改
end;

procedure TfrmParamPassing.ScanStaticArrayVar(var arr: array [1..10] of Integer);
begin
  // 可以存取和修改arr
end;

開放陣列

開放陣列是一種特殊的引數型別，允許函式接受不同大小的陣列。使用array of T語法宣告。

function TfrmParamPassing.SumArr(const arr: array of Integer): Integer;
var
  i: Integer;
begin
  Result := arr[Low(arr)];
  for i := Low(arr) + 1 to High(arr) do
    Inc(Result, arr[i]);
end;

動態陣列

動態陣列如TArray<T>總是透過參照傳遞。

procedure TfrmParamPassing.ScanDynArrayConst(const arr: TIntArray);
begin
  // 可以存取arr，但const限制了修改
  // arr[1] := 42; // 編譯錯誤
end;

Slice函式：處理陣列的子集

Slice函式允許將靜態陣列的一部分傳遞給期望開放陣列引數的函式。它接受一個陣列和一個數字，傳回一個包含陣列前N個元素的新開放陣列。

sum := SumArr(Slice(arr, 3)); // 只傳遞arr的前3個元素給SumArr

Slice函式的工作原理

Slice函式由編譯器內部實作，它改變了傳遞給函式的引數方式。對於SumArr(Slice(arr, 3))，編譯器實際上是傳遞了陣列的起始地址和新的元素數量（這裡是3），使得SumArr函式以為它接收到了一個包含3個元素的新陣列。

速度比較：不同資料型別的引數傳遞

不同資料型別的引數傳遞速度差異顯著。靜態陣列透過值傳遞時會被複制，因此速度較慢。透過參照傳遞或使用開放陣列、動態陣列則快得多。字串和介面型別的引數在傳遞時會涉及參照計數的增減，使用const關鍵字可以避免這一開銷。

方法內聯：提升效能的關鍵技術

方法內聯是一種編譯器最佳化技術，它將被呼叫的方法體直接插入到呼叫者的方法體中，避免了方法呼叫的開銷。要使方法可內聯，需要在方法宣告後新增inline指令。

function IncrementInline(value: Integer): Integer; inline;
begin
  Result := value + 1;
end;

方法內聯的效果

透過內聯，編譯器生成的程式碼不再包含對IncrementInline的呼叫，而是直接執行其內容，從而提高了執行效率。在測試中，內聯版本比非內聯版本快了一倍。

最佳化方法呼叫的內聯機制

在前面的例子中，雖然我們期望某個方法能夠被內聯，但實際上它並沒有被內聯。以下是一個範例：

type
  TfrmInlining = class(TForm)
    // 一些不重要的內容...
    procedure Button3Click(Sender: TObject);
  private
    function IncrementShouldBeInline(value: integer): integer; inline;
  public
  end;

procedure TfrmInlining.Button3Click(Sender: TObject);
var
  value: Integer;
  i: Integer;
begin
  value := 0;
  for i := 1 to 10000000 do
    value := IncrementShouldBeInline(value);
end;

function TfrmInlining.IncrementShouldBeInline(value: integer): integer;
begin
  Result := value + 1;
end;

內聯程式碼有時可能會導致效能問題，甚至比非內聯版本更慢。這通常是因為編譯器的最佳化工作做得不夠好。因此，務必進行效能測量。

過去，編譯器存在另一個問題：當內聯函式傳回介面時，會對傳回的值進行額外的隱藏複製，只有在呼叫內聯函式的函式結束時才會釋放。這可能會導致介面沒有按照預期被銷毀。例如，Delphi 的 TThreadPool 物件中的執行緒就曾經因為這個問題而無法及時釋放。這個問題直到 10.2 Tokyo 版本中引入了改進的編譯器後才得以解決。

指標的魔力

我們的朋友史密斯先生從他在 Delphi 的初次嘗試中取得了很大的進步。現在，他正在開發一個虛擬現實應用程式，希望能夠讓使用者在螢幕上看到南極洲的森林。雖然他取得了一定的成功，但他在顯示正確的顏色時遇到了問題。他的程式碼產生的紋理是 Blue-Green-Red（BGR）位元組順序，而圖形驅動程式需要 Red-Green-Blue（RGB）順序。他已經寫了一些程式碼來解決這個問題，但他的解決方案太慢了。他希望能夠提高系統的效能，因此我答應幫助他最佳化轉換器。

指標的基本概念

指標是一種變數，用於儲存某些資料的位址（其他變數、動態分配的記憶體、字串中的特定字元等）。它的大小始終相同：在 32 位系統上為 4 位元組，在 64 位系統上為 8 位元組。這與 NativeInt 和 NativeUInt 的大小相同，這不是巧合，因為在某些情況下，將指標轉換為整數或反之亦然是非常實用的。

type
  TPoint3 = record
    X, Y, Z: double;
  end;
  PPoint3 = ^TPoint3;

var
  P3: TPoint3;
  PP3: PPoint3;
begin
  PP3 := @P3;
  PP3^.X := 1; // P3.X 現在是 1
  PP3.Y := 2;  // P3.Y 現在是 2
  P3.Z := 3;   // PP3^.Z 現在是 3
end;

指標運算

與原始的 Pascal 不同，Delphi 允許對指標進行一些算術運算。例如，您可以執行 Inc(ptr)，這將增加儲存在 ptr 中的位址。增加的幅度取決於 ptr 所指向的型別的大小。

procedure TfrmPointers.btnPointerMathClick(Sender: TObject);
var
  pb: PByte;
  pi: PInteger;
  pa: PAnsiChar;
  pc: PChar;
begin
  pb := pointer(0);
  pb := pb + 1;
  ListBox1.Items.Add(Format('PByte increment = %d', [NativeUInt(pb)]));

  pi := pointer(0);
  {$POINTERMATH ON}
  pi := pi + 1;
  {$POINTERMATH OFF}
  ListBox1.Items.Add(Format('PInteger increment = %d', [NativeUInt(pi)]));

  pa := pointer(0);
  pa := pa + 1;
  ListBox1.Items.Add(Format('PAnsiChar increment = %d', [NativeUInt(pa)]));

  pc := pointer(0);
  pc := pc + 1;
  ListBox1.Items.Add(Format('PChar increment = %d', [NativeUInt(pc)]));
end;

史密斯先生的問題

史密斯先生有一個圖形紋理，以畫素陣列的形式儲存。每個畫素都儲存為一個 Cardinal 值。最高位元組包含透明度元件（也稱為 Alpha），下一個位元組包含藍色元件，接下來的位元組包含綠色元件，最低位元組包含紅色元件。

function TfrmPointers.PrepareData: TArray<Cardinal>;
var
  i: Integer;
begin
  SetLength(Result, 10000000);
  for i := Low(Result) to High(Result) do
    Result[i] := $0055AACC;
end;

細部調校程式碼

史密斯先生的程式碼建立了一個包含一千萬個元素的陣列，並將其填充為 $0055AACC 值。藍色被設定為 $55，綠色被設定為 $AA，紅色被設定為 $CC。然後，程式碼遍歷陣列並處理每個元素。首先，它透過遮罩提取藍色元件（AND $00FF0000）並將其右移16位（SHR 16）。然後，它提取紅色元件（AND $000000FF）。最後，它清除原始資料中的藍色和紅色元件（AND $FF00FF00）並將紅色和藍色元件加回去（OR）。紅色現在左移16位（SHL 16），以便儲存在第二高位元組中。

指標最佳化的詳細解說

使用指標可以大大提高程式碼的效能，特別是在處理大量資料時。透過直接操作記憶體位址，可以避免不必要的資料複製和運算，從而提高程式的執行效率。

程式碼實作範例

procedure TfrmPointers.OptimizePixelData(var pixelData: TArray<Cardinal>);
var
  i: Integer;
  pixel: Cardinal;
begin
  for i := Low(pixelData) to High(pixelData) do
  begin
    pixel := pixelData[i];
    pixel := ((pixel and $FF00FF00) or ((pixel and $00FF0000) shr 16) or ((pixel and $000000FF) shl 16));
    pixelData[i] := pixel;
  end;
end;

#### 程式碼解密：

上述程式碼對畫素資料進行了最佳化處理。首先，它遍歷畫素資料陣列，對每個畫素進行處理。透過位運算，將畫素的紅色和藍色元件進行交換，以滿足圖形驅動程式的要求。具體步驟如下：

提取畫素值：從陣列中讀取每個畫素的值。
交換紅藍元件：透過位運算，將紅色和藍色元件進行交換。
- 使用 and $00FF0000 和 shr 16 將藍色元件移到正確的位置。
- 使用 and $000000FF 和 shl 16 將紅色元件移到正確的位置。
- 使用 or 將交換後的紅藍元件與原有的綠色和 Alpha 元件組合。
寫回畫素值：將處理後的畫素值寫回陣列。

透過這種方式，可以高效地將 BGR 資料轉換為 RGB 資料，從而滿足圖形驅動程式的要求。

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。

Delphi記憶體管理與效能最佳化

深入理解Delphi的記憶體管理

自訂管理記錄

程式碼範例：

內容解密：

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介面

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方法呼叫最佳化

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最佳化方法呼叫：引數傳遞的藝術

傳值與傳參考

使用 var、out 和 const 字首

程式碼範例：使用 var 和 const 字首

內容解密：

動態陣列與開放陣列引數

程式碼範例：動態陣列與開放陣列引數

內容解密：

最佳實踐

最佳化方法呼叫：探討Delphi中的引數傳遞與方法內聯

引數傳遞：靜態陣列、開放陣列與動態陣列

靜態陣列

開放陣列

動態陣列

Slice函式：處理陣列的子集

Slice函式的工作原理

速度比較：不同資料型別的引數傳遞

方法內聯：提升效能的關鍵技術

方法內聯的效果

最佳化方法呼叫的內聯機制

指標的魔力

指標的基本概念

指標運算

史密斯先生的問題

細部調校程式碼

指標最佳化的詳細解說

程式碼實作範例

#### 程式碼解密：

玄貓 BlackCat

使用 `var`、`out` 和 `const` 字首

程式碼範例：使用 `var` 和 `const` 字首