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c++动态内存管理与智能指针

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引言

程序使用三种不同的内存

静态内存：static成员以及任何定义在函数之外的变量栈内存：一般局部变量堆内存（自由空间）：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

一、介绍

动态分配内存

使用智能指针：定义在头文件memory中

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

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<int>

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
}

make_shared函数

make_shared<typename>(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

shared_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

shared_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…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<Foo> factory(T arg){
    //对arg的操作
    return make_shared<Foo>(arg);
}

void ues_factory(T arg){
    shared_ptr<Foo> 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<Foo> 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。

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

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

应用举例：Blob类

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<string>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;
};

StrBlob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;}

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();
}

StrBlob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 : "
            <<b2.look_data().use_count()<<endl;
        b1 = b2;
        cout<<"after assignment  : "
            <<b2.look_data().use_count()<<endl;
    }//b2被销毁，计数器递减
    //b1仍指向b2的原数据
    cout<<b1.front()<<endl;
    //打印此时b1的计数器
    cout<<"b2 has been dstoryed : "
        <<b1.look_data().use_count()<<endl;
    return 0;
}

输出结果：

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

三、直接管理内存

使用new分配内存

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

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

//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

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;

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。

使用delete释放内存

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

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

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

四、shared_ptr和new结合使用

new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<int>
    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”

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。

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

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

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

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<int>
    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。

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<objT, delT> 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_ptr<connection, decltype(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】

总结

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