c++动态内存管理与智能指针

2024-01-25 23:07:46

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目录* 一、介绍

程序使用三种不同的内存

  1. 静态内存：static成员以及任何定义在函数之外的变量
  2. 栈内存：一般局部变量
  3. 堆内存（*空间）：动态分配的对象

静态内存和栈内存中的变量由编译器产生和销毁，动态分配的对象在我们不再使用它时要由程序员显式地销毁

1|0一、介绍

动态分配内存

  1. new():为对象分配空间，并返回指向该对象的指针
  2. delete:销毁对象，并释放与之相关的内存

使用智能指针：定义在头文件memory中

  1. shared_ptr：允许多个指针指向同一个对象
  2. unique_ptr：“独占”所使用的对象
  3. weak_ptr：伴随类，弱引用，指向shared_ptr所管理的对象

和容器一样，只能指针也是一种模板，需要给它传入一个参数来指定类型

2|0二、shared_ptr类

声明shared_ptr:

shared\_ptr<string> p1; //shared\_ptr，可以指向string
shared\_ptr<list<int>> p2; //shared\_ptr，可以指向list

使用方式与普通指针一致，解引用返回它所指向的对象，在条件表达式中检查是否为空

//若p1不为空且指向一个空string
if(p1 && p1->empty()){
 *p1 = "hi"; //对p1重新赋值
}

c++动态内存管理与智能指针

2|1make_shared函数

make_shared(arguments)

在动态内存中分配并初始化一个对象

返回指向此对象的shared_ptr指针

//指向一个值为42的int的shared\_ptr
shared\_ptr<int> p1 = make\_shared<int>(42);
//指向一个值为"999"的string的shared\_ptr
shared\_ptr<string> p2 = make\_shared<string>(3, '9');
//指向一个值为0的int的shared\_ptr
shared\_ptr<int> p3 = make\_shared<int>();

没有传入参数时，进行值初始化

auto p4 = make\_shared<string>(); //p4指向空string

2|2shared_ptr的拷贝和引用

每个share_ptr都有一个关联的计数器

  • 当拷贝shared_ptr时，计数器会递增
  • 当shared_ptr被赋予新值或者shared_ptr被销毁（如一个局部的shared_ptr离开其作用域），计数器会递减
  • 当一个shared_ptr的计数器==0时，内存会被释放
auto r = make\_shared<int>(42);
r = q; //给r赋值，使它指向另一个地址
 //递增q指向的对象的引用计数
 //递减r指向的对象的引用计数
 //如果计数器为0，自动释放

2|3shared_ptr自动销毁所管理的对象…

和其他类一样，shared_ptr类型也有析构函数

shared_ptr的析构函数会

  1. 递减指针所指向的对象的引用计数
  2. 当对象的引用计数为0时，销毁对象并释放内存

2|4**…shared_ptr还会自动释放相关联对象的内存**

举例：

//factory返回一个share\_ptr,指向一个动态分配的对象
shared\_ptr factory(T arg){
 //对arg的操作
 return make\_shared(arg);
}

void ues\_factory(T arg){
 shared\_ptr p = factory(arg);
 //使用p
}
//p离开了作用域，由于引用计数由1减到0，对象被销毁，内存释放

如果有其他引用计数也指向该对象，则对象内存不会被释放掉

//factory和上述一致
//ues\_factory返回shared\_ptr的拷贝
void use\_factory(T arg){
 shared\_ptr p = factory(arg);
 //使用p
 return p; //返回p的拷贝，此时递增了计数器，引用数为2
}//p离开作用域，对象计数器引用2-1=1，对象内存没有释放

return shared_ptr时，如果不是返回引用类型，则会进行拷贝，shared_ptr的计数器+1后-1，最终shared的计数器不变

由于在最后一个shared _ptr销毁前内存都不会释放，保证shared_ptr在无用之后不再保留就非常重要了。如果你忘记了销毁程序不再需要的shared_ptr，程序仍会正确执行，但会浪费内存。

share_ptr 在无用之后仍然保留的一种可能情况是，你将shared _ptr存放在一个容器中，随后重排了容器，从而不再需要某些元素。在这种情况下，你应该确保用erase删除那些不再需要的shared_ptr元素。

如果你将shared ptr存放于一个容器中,而后不再需要全部元素，而只使用其中一部分,要记得用erase删除不再需要的那些元素。

2|5使用动态生存期的资源的类

程序使用动态内存的三种原因

  1. 程序不知道自己需要使用多少对象
  2. 不知道所需对象的准确类型
  3. 需要在多个对象间共享数据

容器类常出于第一种原因使用动态内存，在15章会看见出于第二种原因的例子，本节讨论第三种原因

先考虑这么一种情况：

我们要定义一个Blob类，当该类型的对象拷贝时，对象共享底层数据。

如b2 = b1时，b2,b1共享底层数据，对b2的操作也会印象到b1，且销毁b2时，b1的仍指向原数据

Blob<string> b1; //空Blob
{
 //新作用域
 Blob<string> b2 = {"a","an","the"};
 b1 = b2; //b1和b2共享数据
}//b2离开作用域，被销毁了，但b2的数据不能被销毁
//b1指向b2的原数据

2|6应用举例：Blob类

1|0定义Blob类

最终，我们希望将Blob定义为一个模板类，但现在我们先将其定义为StrBlob，即底层数据是vector的Blob

class StrBlob{
public:
 //拷贝控制
 StrBlob();//默认构造函数
 StrBlob(initializer\_list<string> il); //列表初始化
 StrBlob(const StrBlob& strb);
 //查询
 int size() const {return data->size();}
 bool empty() const {return data->empty();}
 //添加和删除元素
 void push\_back(const string &t) {data->push\_back(t);}
 void pop\_back() {data->pop\_back();}
 //访问元素
 string& front();
 string& back();
private:
 shared\_ptr<vector<string>> data;
 //如果data[i]不合法，抛出异常
 void check(int i, const string &msg) const;
};

1|0StrBlob的构造函数 

StrBlob::StrBlob() : data(make\_shared<vector<string>>())
 {cout<<"in StrBlob dafault"<<endl;};
StrBlob::StrBlob(initializer\_list<string> il) :
 data(make\_shared<vector<string>>(il))
 {cout<<"in StrBlob initializer\_list"<<endl;}

1|0元素访问成员函数

在访问时必须保证容器非空，定义check函数进行检查

void StrBlob::check(int i, const string& msg) const{
 if(i >= data->size())
 throw out\_of\_range(msg);
}

元素访问成员函数：

string& StrBlob::front(){
 //如果vector为空，check会抛出一个异常
 check(0, "front on empty StrBlob");
 return data->front();
}
string& StrBlob::back(){
 check(0, "back on empty StrBlob");
 return data->back();
}

1|0StrBlob的拷贝、赋值和销毁

StrBlob使用默认的拷贝、赋值和析构函数对此类型的对象进行操作

当我们对StrBlob对象进行拷贝、赋值和销毁时，它的shared_ptr成员也会默认地进行拷贝、赋值和销毁

//由于data是private的
//在StrBlob中设置一个接口look\_data
//look\_data返回data的引用
class StrBlob{
public:
 //...
 shared\_ptr<vector<string>>& look\_data()
 {return data;} //返回引用，避免对象拷贝
private:
 //其余部分都不变
};

测试程序：

//测试程序
int main(){
 StrBlob b1;
 {//新作用域
 StrBlob b2 = {"first element","second element"};
 cout<<"before assignment : "
 <endl;
 b1 = b2;
 cout<<"after assignment : "
 <endl;
 }//b2被销毁，计数器递减
 //b1仍指向b2的原数据
 cout<endl;
 //打印此时b1的计数器
 cout<<"b2 has been dstoryed : "
 <endl;
 return 0;
}

输出结果：

c++动态内存管理与智能指针

如果look_data用值返回，而不是引用返回，那么会存在拷贝【见6.2.2节笔记】，所有计数器的值会+1

c++动态内存管理与智能指针

3|0三、直接管理内存

3|1使用new分配内存

  • new分配动态内存
  • delete销毁动态内存

new和delete与智能指针不同，类对象的拷贝、赋值和销毁操作都不会默认地对动态分配的对象进行管理，无论是对象的创建还是销毁，都需要程序员显式地操作，在大型的应用场景中会十分复杂。

在熟悉C++拷贝控制之前，尽量只使用智能指针，而不是本节的方法管理动态内存

1|0使用new动态分配和初始化对象

new type_name：返回一个指向该对象的指针

//pi指向一个动态分配，默认初始化的无名对象
int *pi = new int;
//*pi的值是未定义的
cout<<*pi<<endl;

对象是默认初始化这意味着：

  1. 指向的是：内置类型和组合类型对象。对象的值是未定义的
  2. 指向的是：类类型对象。调用默认构造函数

可以直接初始化动态分配的对象

  • 直接调用构造函数
  • 列表初始化
//pi指向对象的值为42
int *pi = new int(42); 
//"9999999999"
string *ps = new string(10, '9'); 
//vector有5个元素，依次为0,1,2,3,4
vector<int> *pv = new vector<int>{0,1,2,3,4};

也可以值初始化

string *ps1 = new string(); //值初始化为空string
string *ps = new string; //默认初始化为空string
int *pi1 = new int; //默认初始化，值未定义
int *pi = new int(); //值初始化，*pi = 0;

所以，初始化动态分配的对象是一个好习惯

1|0动态分配const对象

用new可以分配const对象

和其他const对象一样，动态分配的const对象必须被初始化

//分配并初始化const int
const int *pi = new const int(1024);
//分配并默认初始化const string
const string *ps = new const string;

1|0内存耗尽

如果new分配动态内存失败，返回一个空指针，并报出std::bad_alloc异常

int *p1 = new int; //返回空指针，抛出异常
int *p2 = new (nothrow) int; //如果分配失败，new返回空指针

我们第二种形式的new为定位new (placement new)，其原因我们将在19.1.2节(第729页）中解释。

定位new表达式允许我们向new传递额外的参数。

在此例中，我们传递给它一个由标准库定义的名为nothrow的对象。如果将nothrow传递给new，我们的意图是告诉它不能抛出异常。如果这种形式的 new不能分配所需内存，它会返回一个空指针。bad_alloc和nothrow都定义在头文件new中。

3|2使用delete释放内存

1|0基本介绍

delete()：接受一个指针，指向我们想要销毁的对象

执行两个操作

  • 销毁对象
  • 释放对应的内存

注意点：

  1. 保证只传给delete动态分配的指针，将一般指针传给delete，其行为是未定义的
  2. 同一块内存不能释放两次
  3. 不要忘记delete内存
  4. 不要使用已经delete的对象
int i, *pi = &i;
int *pd = new int();
delete pd; //正确：释放pd内存
pd = nullptr; //好习惯：指出pd不再指向动态内存
delete pi; //未定义：pi没有指向动态分配的内存
delete pd; //未定义：pd内存已经被释放

保证以上两点是程序员的责任，编译器并不会检查以上错误

1|0举例

在被显式地delete前，用new动态分配的内存一直存在

Foo* factory(T arg){
 //处理arg
 return new Foo(arg);
}//调用者负责释放

void ues\_factory(T arg){
 Foo *p = factory(arg);
 //使用p但不delete它
}//p离开了作用域，但它所指向的内存没有被释放！！

use_factory返回时，局部变量p被销毁。但此变量是一个内置指针，而不是一个智能指针，所以p所指向的内存并没有被销毁。

这样就产生了一块无名的内存块，存在又无法删除。

这也体现了智能指针与普通指针的区别：智能指针在离开自己的作用域，自己的变量名失效时，销毁指向的对象并释放关联内存；而new产生的指针不会。

修改use_factory:

void use\_factory(T arg){
 Foo *p = factory(arg);
 //使用p
 delete p; //记得释放p
}

坚持使用智能指针，可以避免上述的绝大部分问题

4|0四、shared_ptr和new结合使用

4|1new直接初始化share_ptr

可以用new返回的指针初始化share_ptr

该构造函数是explicit的

所以，不存在new产生的指针向shared_ptr的隐式类型转换，必须采用直接初始化，而不是拷贝初始化或者赋值

shared\_ptr<int> p1(new int(42)); //正确：使用直接初始化
shared\_ptr<int> p2 = new int(30);//错误：new产生的指针

同理，返回shared_ptr的函数不能返回new产生的指针

shared\_ptr<int> clone(int p){
 //错误：构造函数为explicit，无法转换
 //return new int(p); 
 //正确：显式地用int*构造shared\_ptr
 return shared\_ptr<int>(new int(p));
}

如对隐式类型转换有疑问查看 7-5笔记第三点”隐式类类型转换”

4|2初始化时传入可调用对象代替delete

默认情况下，一个用来初始化智能指针的普通指针必须指向动态内存，因为智能指针默认使用delete释放它所关联的对象。我们可以将智能指针绑定到一个指向其他类型的资源的指针上，但是为了这样做，必须提供自己的操作来替代 delete。我们将在12.1.4节介绍如何定义自己的释放操作。

c++动态内存管理与智能指针

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5|0五、unique_ptr

和shared_ptr不同，某个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定对象

5|1基本操作

必须采用直接初始化

unique\_ptr<double> p1; //可以指向double的一个unique\_ptr
unique\_ptr<int> p2(new int(42)); //p2指向一个值为42的int

unique_ptr不支持拷贝与赋值

unique\_ptr<string> p1(new string("hello"));
unique\_ptr<string> p2(p1); //错误：不支持拷贝
unique\_ptr<string> p3;
p3 = p1; //错误：不支持赋值

unique_ptr支持的操作

c++动态内存管理与智能指针

可以使用release和reset将指针的所有权从一个（非const）unique_ptr转移到另一个unique_ptr

//将所有权从p1，转移到p2
unique\_ptr<string> p1(new string("hello"));
unique\_ptr<string> p2(p1.release()); //release将p1置空
cout<<*p2<<endl; //输出 hello
unique\_ptr<string> p3(new string("world"));
//p2绑定的对象被释放，p3置空，p2指向p3原来指向的对象
p2.reset(p3.release());
cout<<*p2<<endl; //输出： world

5|2传递和返回unique_ptr

不能拷贝unique_ptr 的规则有一个例外:我们可以拷贝或赋值一个将要被销毁的unique_ptr。最常见的例子是从函数返回一个unique_ptr:

unique\_ptr<int> clone(int p){
 //正确：从int*创建一个unique\_ptr
 return unique\_ptr<int>(new int(p));
}

还可以返回一个局部变量的拷贝

unique\_ptr<int> clone(int p){
 unique\_ptr<int> ret(new int(p));
 return ret;
}

对于两段代码，编译器都知道要返回的对象将要被销毁。在此情况下，编译器执行一种特殊的“拷贝”，我们将在13.6.2节（移动构造函数和移动运算符）中介绍它。

5|3向unique_ptr传递删除器 

//p指向一个类型为objT的对象
//并使用一个类型为delT的可调用对象释放objT
//p会使用一个名为fcnd的delT对象来删除objT
unique\_ptr p(new objT, fcn);

作为一个更具体的例子，我们将写一个连接程序，用unique_ptr来代替shared_ptr,如下所示:

void f(destination &d /*其他需要的参数*/)
{
 connection c = connect(&d);//打开链接
 unique\_ptrdecltype(end\_connection)*>
 p(&c, end\_connection);
 //使用链接
 //当f退出时（即使是由于异常而退出）
 //connection会调用end\_connection正常退出
}

注意decltype(end_connection)返回一个函数类型，而函数类型不能作为参数，函数指针可以
所以要加上*表示函数指针
p(&c, end_connection)中，类似于数组名表示指针一样，函数名实际上就表示函数指针
所以也可写作p(&c, &end_connection)，但没必要。【前一个&表示引用传递，后一个&表示取址得到指针】

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