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12.动态内存

作者出版于 CPP

2022-07-10 约 3037 字预计阅读 7 分钟

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动态内存

对象的生命周期：
- 全局对象在程序启动时分配，结束时销毁。
- 局部对象在进入程序块时创建，离开块时销毁。
- 局部static对象在第一次使用前分配，在程序结束时销毁。
- 动态分配对象：只能显式地被释放。
对象的内存位置：
- 静态内存用来保存局部static对象、类static对象、定义在任何函数之外的变量。
- 栈内存用来保存定义在函数内的非static对象。
- 堆内存，又称自由空间，用来存储动态分配的对象。

1 动态内存与智能指针

动态内存管理：
- new：在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针。
- delete：接受一个动态对象的指针，销毁该对象，并释放与之关联的内存。
智能指针：
- 管理动态对象。
- 行为类似常规指针。
- 负责自动释放所指向的对象。
- 智能指针也是模板。

1.1 shared_ptr 类

shared_ptr 和 unique_ptr 都支持的操作：

操作	解释
`shared_ptr<T> sp` `unique_ptr<T> up`	空智能指针，可以指向类型是`T`的对象
`p`	将`p`用作一个条件判断，若`p`指向一个对象，则为`true`
`*p`	解引用`p`，获得它指向的对象。
`p->mem`	等价于`(*p).mem`
`p.get()`	返回`p`中保存的指针，要小心使用，若智能指针释放了对象，返回的指针所指向的对象也就消失了。
`swap(p, q)` `p.swap(q)`	交换`p`和`q`中的指针

shared_ptr 独有的操作：

操作	解释
`make_shared<T>(args)`	返回一个`shared_ptr`，指向一个动态分配的类型为`T`的对象。使用`args`初始化此对象。
`shared_ptr<T>p(q)`	`p`是`shared_ptr q`的拷贝；此操作会递增`q`中的计数器。`q`中的指针必须能转换为`T*`
`p = q`	`p`和`q`都是`shared_ptr`，所保存的指针必须能互相转换。此操作会递减`p`的引用计数，递增`q`的引用计数；若`p`的引用计数变为 0，则将其管理的原内存释放。
`p.unique()`	若`p.use_count()`是 1，返回`true`；否则返回`false`
`p.use_count()`	返回与`p`共享对象的智能指针数量；可能很慢，主要用于调试。

使用动态内存的三种原因：
- 程序不知道自己需要使用多少对象(比如容器类)。
- 程序不知道所需要对象的准确类型。
- 程序需要在多个对象间共享数据。

1.2 直接管理内存

用new动态分配和初始化对象。
- new无法为分配的对象命名(因为自由空间分配的内存是无名的)，因此是返回一个指向该对象的指针。
- int *pi = new int(123);
- 一旦内存耗尽，会抛出类型是bad_alloc的异常。
用delete将动态内存归还给系统。
- 接受一个指针，指向要释放的对象。
- delete后的指针称为空悬指针(dangling pointer)。
使用new和delete管理动态内存存在三个常见问题：
- 1.忘记delete内存。
- 2.使用已经释放掉的对象。
- 3.同一块内存释放两次。
坚持只使用智能指针可以避免上述所有问题。但是引入新的问题,智能指针很容易不小心提前释放

1.3 shared_ptr 和 new 结合使用

定义和改变 shared_ptr 的其他方法：

操作	解释
`shared_ptr<T> p(q)`	`p`管理内置指针`q`所指向的对象；`q`必须指向`new`分配的内存，且能够转换为`T*`类型
`shared_ptr<T> p(u)`	`p`从`unique_ptr u`那里接管了对象的所有权；将`u`置为空
`shared_ptr<T> p(q, d)`	`p`接管了内置指针`q`所指向的对象的所有权。`q`必须能转换为`T*`类型。`p`将使用可调用对象`d`来代替`delete`。
`shared_ptr<T> p(p2, d)`	`p`是`shared_ptr p2`的拷贝，唯一的区别是`p`将可调用对象`d`来代替`delete`。
`p.reset()`	若`p`是唯一指向其对象的`shared_ptr`，`reset`会释放此对象。
`p.reset(q)`	同上,若传递了可选的参数内置指针`q`，会令`p`指向`q`，否则会将`p`置空。
`p.reset(q, d)`	同上,若还传递了参数`d`，则会调用`d`而不是`delete`来释放`q`。

1.4 智能指针和异常

如果使用智能指针，即使程序块由于异常过早结束，智能指针类也能确保在内存不需要的时候将其释放。
智能指针陷阱：
- 不用相同的内置指针初始化(或reset)多个智能指针
- 不delete get()返回的指针。
- 如果你使用get()返回的指针，记得当最后一个对应的智能指针销毁后，你的指针就无效了。
- 如果你使用智能指针管理的资源不是new分配的内存，记住传递给它一个删除器。

1.5 unique_ptr

某一个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定的对象。
不支持拷贝或者赋值操作。
向后兼容：auto_ptr：老版本，具有unique_ptr的部分特性。特别是，不能在容器中保存auto_ptr，也不能从函数返回auto_ptr。

unique_ptr 操作:

操作	解释
`unique_ptr<T> u1`	空`unique_ptr`，可以指向类型是`T`的对象。`u1`会使用`delete`来是释放它的指针。
`unique_ptr<T, D> u2`	`u2`会使用一个类型为`D`的可调用对象来释放它的指针。
`unique_ptr<T, D> u(d)`	空`unique_ptr`，指向类型为`T`的对象，用类型为`D`的对象`d`代替`delete`
`u = nullptr`	释放`u`指向的对象，将`u`置为空。
`u.release()`	`u`放弃对指针的控制权，返回指针，并将`u`置空。
`u.reset()`	释放`u`指向的对象
`u.reset(q)`	令`u`指向`q`指向的对象
`u.reset(nullptr)`	将`u`置空

1.6 weak_ptr

weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针。
指向一个由shared_ptr管理的对象，不改变shared_ptr的引用计数。
一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放，不管有没有weak_ptr指向该对象。

weak_ptr 操作:

操作	解释
`weak_ptr<T> w`	空`weak_ptr`可以指向类型为`T`的对象
`weak_ptr<T> w(sp)`	与`shared_ptr`指向相同对象的`weak_ptr`。`T`必须能转换为`sp`指向的类型。
`w = p`	`p`可以是`shared_ptr`或一个`weak_ptr`。赋值后`w`和`p`共享对象。
`w.reset()`	将`w`置为空。
`w.use_count()`	与`w`共享对象的`shared_ptr`的数量。
`w.expired()`	若`w.use_count()`为 0，返回`true`，否则返回`false`
`w.lock()`	如果`expired`为`true`，则返回一个空`shared_ptr`；否则返回一个指向`w`的对象的`shared_ptr`。

2 动态数组

2.1 new 和数组

new一个动态数组：
- 类型名之后加一对方括号，指明分配的对象数目(必须是整型，不必是常量)。
- 返回指向第一个对象的指针。
- int *p = new int[size];
delete一个动态数组：
- delete [] p;
unique_ptr和数组：
- 指向数组的unique_ptr不支持成员访问运算符(点和箭头)。

操作	解释
`unique_ptr<T[]> u`	`u`可以指向一个动态分配的数组，整数元素类型为`T`
`unique_ptr<T[]> u(p)`	`u`指向内置指针`p`所指向的动态分配的数组。`p`必须能转换为类型`T*`。
`u[i]`	返回`u`拥有的数组中位置`i`处的对象。`u`必须指向一个数组。

2.2 allocator 类

标准库allocator类定义在头文件memory中，帮助我们将内存分配和对象构造分离开。
分配的是原始的、未构造的内存。
allocator是一个模板。
allocator<string> alloc;

标准库 allocator 类及其算法：

操作	解释
`allocator<T> a`	定义了一个名为`a`的`allocator`对象，它可以为类型为`T`的对象分配内存
`a.allocate(n)`	分配一段原始的、未构造的内存，保存`n`个类型为`T`的对象。
`a.deallocate(p, n)`	释放从`T*`指针`p`中地址开始的内存，这块内存保存了`n`个类型为`T`的对象；`p`必须是一个先前由`allocate`返回的指针。且`n`必须是`p`创建时所要求的大小。在调用`deallocate`之前，用户必须对每个在这块内存中创建的对象调用`destroy`。
`a.construct(p, args)`	`p`必须是一个类型是`T*`的指针，指向一块原始内存；`args`被传递给类型为`T`的构造函数，用来在`p`指向的内存中构造一个对象。
`a.destroy(p)`	`p`为`T*`类型的指针，此算法对`p`指向的对象执行析构函数。

allocator 伴随算法：

操作	解释
`uninitialized_copy(b, e, b2)`	从迭代器`b`和`e`给定的输入范围中拷贝元素到迭代器`b2`指定的未构造的原始内存中。`b2`指向的内存必须足够大，能够容纳输入序列中元素的拷贝。
`uninitialized_copy_n(b, n, b2)`	从迭代器`b`指向的元素开始，拷贝`n`个元素到`b2`开始的内存中。
`uninitialized_fill(b, e, t)`	在迭代器`b`和`e`执行的原始内存范围中创建对象，对象的值均为`t`的拷贝。
`uninitialized_fill_n(b, n, t)`	从迭代器`b`指向的内存地址开始创建`n`个对象。`b`必须指向足够大的未构造的原始内存，能够容纳给定数量的对象。

定义在头文件memory中。
在给定目的位置创建元素，而不是由系统分配内存给他们。