C++ 基础与深度分析 Chapter8 动态内存管理（动态内存基础、智能指针、相关问题）

文章目录

• 动态内存基础
• 智能指针
• • Shared_ptr——基于引用计数的共享内存解决方案
  • unique_ptr——独占内存的解决方案
  • weak_ptr——防止循环引用而引入的智能指针
• 动态内存的相关问题
• • sizeof不会返回动态内存的大小：
  • 使用分配器（ allocator ）来分配内存
  • 使用 malloc / free 来管理内存
  • 使用 aligned_alloc 来分配对齐内存
  • 动态内存与异常安全
  • C++ 对于垃圾回收的支持

动态内存基础

栈的对象在内存中开辟的空间都比较紧密，连续创建的对象x和y，他们在栈空间是非常紧密的。函数调用，栈针就会出栈。函数结束，对象就自动销毁了。

堆是在运行期动态扩张。因为有的时候，需要多少内存，是在运行期才能确定的。所以就需要堆。比如刚开始分配了10个int的内存，使着过程中，发现不够用了，再分配20个int。这就是动态的扩展内存，动态缩小内存也同理。

对比栈的内存，栈针弹出会自动销毁。但是堆不会，需要通过delete进行释放。

如果控制堆内存呢？我们通过new和delete来构造、销毁对象。

栈内存：

int main()
{
    int x; // 系统在栈中开辟一块内存给x
    x = 2; // 在x这个内存位置把2写入
    cout << x << endl; // 系统会把x对应内存的数值取出来，传递给cout
}

堆内存：

int main()
{
    int* y = new int(2); // 由new分配了一块堆内存，int有多大，就分配多大
    // new返回的是一个内存的地址，我们需要用一个指向该堆内存的指针来接收
    cout << *y << endl; // 对地址解引用，才能获得堆内存里的值
    //...
    delete y; // 告诉系统y对应的内存我，我们不需要了
}

int* fun()
{
    int* res = new int(2);
    return res; // 返回堆内存res对应的地址
}

int main()
{
    int* y = fun(); // 因为我们fun函数开辟的是堆内存，返回是堆内存的地址
    // 所以函数结束，堆中对象还在，y可以取到
    cout << *y << endl;
    //...
    delete y; // 告诉系统y对应的内存我，我们不需要了

}

int* fun()
{
    int res = 2;
    return &res; //  warning: address of stack memory associated with
    // local variable 'res' returned [-Wreturn-stack-address]
}

int main()
{
    int* y = fun(); 
    cout << *y << endl;
    //...
    delete y; 

}

对象的构造：1分配内存；2在内存上构造对象；
对象的销毁：1对象销毁；2把之前分配的内存归还给系统；

int main()
{
    int* y = new int[5]{1, 11, 22, 33, 44};
    cout << y[1] << endl; // 11
    delete[] y; // 构造的数组，要加[]来删除
}

内存片段：有时候我们分配了一大块连续的内存，但是释放的时候，可能只是释放了其中一部分零散的内存，所以不连续。

通过nothrow new来判断分配内存是否成功。如果失败了，系统不抛出异常，而是返回一个nullptr的指针。

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    int* y = new(std::nothrow) int[5]{1, 11, 22, 33, 44};
    if (y == nullptr)
    {
        //...
    }
    else
    {
        cout << y[1] << endl; 
        delete[] y; 
    }
}

palecement new：不需要分配内存了，只需要在已分配的内存上构造对象。vector就是用这个原理。vector动态增长。

vector增加一个元素的原理不是：若来了一个新的元素，先开辟一块新的内存，把原有的值拷贝过来，再把新的元素放进来。vector一般不这么做，而是多分配一些。这样不用一直拷贝。

int main()
{
    int* y = new auto(3); //  new auto 系统自动推导
}

new与对象对齐

delete

int main()
{
    int* ptr = new int;
    delete ptr;
    int* ptr2 = new int[5];
    delete[] ptr2; // 销毁数组
}

placement delete：只关注内存上构造的对象销毁掉，但是不会把内存归还给系统。还是vector的删除一个元素的原理，只会把最后一个元素销毁掉，但是对象对应的内存并不归还给系统。

对于内建的类型，不需要考虑placement delete。只有我们定义了类的析构函数。析构函数会刷新缓存，关掉文件。

int main()
{
    int* ptr = new int(3);
    cout << ptr << endl; // 0x7fbec9c05a30
    delete ptr;
    ptr = nullptr;
    cout << ptr << endl; // 0x0
    delete ptr; // ptr=nullptr系统什么都不做
}

智能指针

new和delete是关系很紧密的两条语句，但是什么时候调用delete我们说不清，容易产生不销毁或者多销毁，而且还有内存所有权的问题。所以引入了智能指针的概念。

Shared_ptr——基于引用计数的共享内存解决方案

int main()
{
    // int* x = new int(3);  之前的写法
    // int* x(new int(3));
    //int* 等价于 std::shared_ptr
    std::shared_ptr x(new int(3)); //x是shared_ptr构造的对象，new int(3)初始化x
    cout << *x << endl; // 3
}

share_ptr是一个智能指针，它的机制是引用计数，通过引用计数来维护内存什么时候进行销毁。我们不用担心内存泄漏，整个x在main结束，x的生命周期结束，x是一个share_ptr包含一个析构函数，x结束，析构函数销毁new int构造的内存。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    std::shared_ptr x(new int(3));  // x包含两个信息，一个是3，另一个是引用计数：1
    // 引用计数，同一时刻，有多少对象引用它
    std::shared_ptr y = x; // 同样不担心程序执行完new int没有被销毁，这时引用计数是：2
    // y和x共享一个引用计数对象，c++规定先构造的后销毁，后构造的先销毁
    // y先销毁（调用shared_ptr析构函数），new int(3)的引用由2变成1
    // 再销毁x（调用shared_ptr析构函数）
    // 由于引用计数的存在，保证内存被销毁，且不会销毁多次
}

get()

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

std::shared_ptr fun()
{
    std::shared_ptr res(new int(3));
    return res;
}

int main()
{
    auto y = fun();
    cout << *y << endl; // 智能指针本质是指针，对其解引用，返回3
    cout << *(y.get()) << endl; // 3, y.get()返回int*
}

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

std::shared_ptr fun()
{
    std::shared_ptr res(new int(3));
    return res;
}

void fun2(int* x)
{

}

int main()
{
    auto y = fun();
    cout << *y << endl; // 智能指针本质是指针，对其解引用，返回3
    cout << *(y.get()) << endl; // 3, y.get()返回int*
    // fun2(y); // 报错 note: candidate function not viable: no known conversion from 'std::shared_ptr' to 'int *' for 1st argument
    fun2(y.get()); // 确保实参是int*
}

reset()

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

std::shared_ptr fun()
{
    std::shared_ptr res(new int(3));
    return res;
}

int main()
{
    auto y = fun();
    y.reset(new int(100));
    cout << *y << endl; // 100, reset尝试释放y包含的指针的资源
    // 然后接受一个新的指针，引用计数+1
}

指定内存回收逻辑：把内存放在一个池子里，一般从内存池里拿，不用的的时候放回池子里，不涉及new和delete操作，可以提升速度。

make_shared

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    std::shared_ptr ptr(new int(3));
    // 等价于下面的
    std::shared_ptr ptr2 = std::make_shared(3);
    auto ptr2 = std::make_shared(3); // 简化代码
    // make_shared 确保局部性，分配一块内存，把3写入，系统还要构造引用计数
    // make_shared 进行了优化，把2块内存放的尽量近
    // 好处是读取引用计数和int时，只访存1次，提高效率
}

支持数组

int main()
{
    std::shared_ptr ptr(new int[5]); // int[] 告诉系统用delete[] 进行删除
}

c++20可以用make_shared

注意： shared_ptr 管理的对象不要调用 delete 销毁

unique_ptr——独占内存的解决方案

一般意义指针就是共享的行为，但是不排除独占的时候。就要用unique_ptr

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    std::unique_ptr x(new int(3)); // x是独占int(3)这块内存资源的
    // std::unique_ptr y(x); // 报错，y不能共享x的内存
    
}

int main()
{
    std::unique_ptr x(new int(3)); 
    cout << x.get() << endl; // 0x7fbeeb405a30
    std::unique_ptr y = std::move(x); // x将亡值，x的资源给y
    cout << x.get() << endl; // 0，y拿走了x的资源
    cout << y.get() << endl; // 0x7fbeeb405a30
}

weak_ptr——防止循环引用而引入的智能指针

shared_ptr通过引用计数来销毁。但是17-20行

所以要解决循环引用，使用weak_ptr来解决。
weak_ptr可以和shared_ptr共享一块内存，但是weak_ptr并不会增加引用计数。这样就解决了循环引用的问题。

动态内存的相关问题

sizeof不会返回动态内存的大小：

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    int* ptr = new int(3);
    cout << sizeof(ptr) << endl; // 8 ptr是一个int*，8个字节
    int* ptr2 = new int[3];
    cout << sizeof(ptr2) << endl; // 8 ptr是一个int[]的起始地址，8个字节
    // new返回的是内存的地址，sizeof返回的一定是int*的大小
    // sizeof并不会返回int*指向内存对象的尺寸
}

使用分配器（ allocator ）来分配内存

对象的构造分2步：1分配内存；2构造对象
allocator成员函数：

allocate分配内存

int main()
{
    std::allocator al; // 分配器al，用来分配int类型的对象
    int* ptr = al.allocate(3); // 分配了一块内存，这个内存可以包含3个int，然后返回
    // 注意这里不是构造了3个int的内存。
    // 差异在于allocate不包含int的初始化，只是内存分配，不初始化。
}

deallocate回收内存

int main()
{
    std::allocator al; // 分配器al，用来分配int类型的对象
    int* ptr = al.allocate(3); // 分配了一块内存，这个内存可以包含3个int，然后返回
    al.deallocate(ptr, 3); // 释放内存
}

使用 malloc / free 来管理内存

malloc / free另外一对内存管理的方法。对比new和delete。既然有了new和delete，为什么还要这个呢？malloc / free 继承自c语言。new和delete都包含2个操作，分配和对象。但是malloc和free只会分配内存，不会在内存上构造对象，因为c语言内部，不是很强调对象的构造。c++引入类之后，才强调对象的概念。

但是mallo不保证内存的对其，所以引入了aligned_alloc来分配内存对齐

使用 aligned_alloc 来分配对齐内存

如果有可能还是使用allocator。

动态内存与异常安全

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    int* ptr = new int(3);
    //...这里可能会有异常，
    // 异常：程序不应该出现的状态
    // 系统会跳到异常捕获，去处理异常
    // 如果系统发生异常，这里就不会执行13行了，内存就没有释放
    delete ptr;
}

如果内存没有及时释放，内存在堆上不断的激增，最后导致系统崩溃。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

void fun()
{
    std::shared_ptr ptr(new int(3));
    //...
    // 
}

int main()
{
    //...
    // 因为用了shared_ptr智能指针，不论调用多少次fun，内存都可以被释放，提升安全性
}

C++ 对于垃圾回收的支持

垃圾回收：动态指定了内存，现在不用了，需要回收掉。python，java都支持垃圾回收。系统会判断内存没有使用，然后自动回收。c++对于垃圾回收可以说是欲拒还迎的状态。