C++常见问题总结_动态内存与智能指针

Love The Way You Lie 2022-05-23 01:22 224阅读 0赞

## 动态内存与智能指针 ##

静态内存用于保存局部static对象、类static数据成员以及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。分配在静态内存或栈内存中的对象由编译器自动创建和销毁。对于栈对象，仅在定义的程序块运行时才存在；static对象在使用之前分配，在程序结束时销毁。  
程序用堆来存储动态分配的对象（在程序运行时分配的对象）。动态对象的生存周期由程序来控制，当动态对象不再使用时，我们的代码必须显示销毁他们。

**直接管理内存**  
通过new分配内存，delete释放new分配的内存。相对于智能指针，使用这两个运算符管理内存容易出错。而且自己直接管理内存的类与使用智能指针的类不同，他们不能依赖对象拷贝、赋值和销毁的任何默认定义。

1、使用new动态分配和初始化对象。  
默认情况下，动态分配的对象是默认初始化的，这意味着对于内置类型和组合类型的对象的值将是未定义的，而对于类类型对象将用默认构造函数进行初始化。

int*pi=new int(1024);
    string *ps=new string(10,'9');
    vector<int>*pv=new vector<int>{
       0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    
    //也可以对动态分配的对象进行值初始化。
    string *ps1=new string;//默认初始化为空
    string *ps=new string();//值初始化为空
    int *pi1=new int;//默认初始化;*pi1的值未定义
    int *pi2=new int();//值初始化为0
    
    //使用auto
    auto p1=new auto(obj);//p指向一个与obj类型相同的对象，用obj初始化。
    auto p2=new auto{a,b,c};//错误，只能含有单一的初始化器

动态分配的const对象  
类似其他任何const对象，一个动态分配的const对象必须进行初始化。对于一个定义了默认构造函数的类类型，其const对象可以是隐式初始化，而其他类型的对象就必须现实初始化。返回的是一个指向const的指针。

const int*pci=new const int(1024);
    const string *pcs=new const string;

2、定位new  
定位new允许我们向new传递额外的参数，例如：默认情况下，如果new不能分配所要求的内存空间，它会抛出一个类型为bad\_alloc的异常。可以改变使用new的方式来阻止抛出异常。

int *p2=new(nothrow) int;//分配失败，返回一个空指针

3、释放动态内存delete

delete p;

我们传递给delete的指针必须是指向动态分配的内存，或是一个空指针。两个动作：销毁给定指针指向的对象并释放对应内存。

int i,*pi1=&i,*pi2=nullptr;
    double *pd=new double(33),*pd2=pd;
    delete i; //错误
    delete pi1;//未定义
    delete pd;//正确
    delete pd2;//未定义：内存已经被释放了
    delete pi2;//正确

释放一块非动态内存，或者将相同的指针释放多次其行为是未定义的。

example:

void us(T arg)
    {
        foo *p=process(arg);
        delete p; //此处不释放，动态内存将无法释放。
        return;
    }

说明：与类类型不同，当一个内置类型对象被销毁时什么也不会发生。当一个内置指针离开其作用域时，它所指向的对象什么也不会发生。动态内存不会自动释放。

4、使用new和delete管理动态内存常见问题

--------------------

*  忘记delete内存。会导致内存泄漏。
 *  使用已经释放掉的内存。通常在释放内存之后将指针置为空，来检测这种错误。
 *  同一块内存被释放两次，自由空间可能被破坏。

--------------------

**智能指针**  
标准库提供了两种智能指针类型来管理动态对象。智能指针的行为类似于普通指针，不过他负责自动释放所指向的对象。

#include<memory>
    //属于模板类
    1、shared_ptr ;//允许多个指针指向同一个对象
    2、unique_ptr ;//独占所指向的对象
    3、weak_ptr   ;//一种弱引用，指向shared_ptr所管理的对象

*  ***shared\_ptr类***

**智能指针（shared\_ptr和unique\_ptr都支持的操作）所支持的操作：**

1、创建一个智能指针

shared_ptr<T> sp;
    unique_ptr<T> up;
    //example:
    shared_ptr<string> p1;
    shared_ptr<list<string>>p2;

2、使用智能指针

//与普通指针类似
    if(p1&&p1->empty())
        *p1="hi";

3、其他的操作

/*返回p中保存的指针（为一种内置指针），
    若智能指针释放了其对象，
    返回的指针所指向的内存就释放了*/
    p.get();
    
    //交换p和q中的指针
    swap(p,q);
    
    p.swap(q);

**智能指针shared\_ptr独有的操作：**

make_shared<T>(args);
    shared_ptr<T>p(q); 
    p=q;
    p.unique(); //p.use_count()为1则返回true
    p.use_count(); //返回p共享对象的智能指针数量

1、make\_shared函数  
make\_shared(args);返回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<int>p3=make_shared<int>(42);
    shared_ptr<string>p4=make_shared<string>(10,'9');
    shared_ptr<int>p5=make_shared<int>();//指出华int 即0。

make\_shared用其参数来构造给定类型的对象。对于p4，传递的参数必须与string的某个构造函数匹配。对于p5传递的参数必须能用来初始化一个int，以此类推。当我们不传递参数时，对象就会进行值初始化。

2、shared\_ptr的拷贝和赋值

auto p=make_shared<int>(42);
    auto q(p);

我们可以认为每个shared\_ptr都有一个关联的计数器，称为引用计数。  
只要拷贝一个shared\_ptr时 他的引用计数会增加。当给shared\_ptr赋值时或者销毁时计数就会减。  
shared\_ptr的析构函数会递减它的引用计数。如果引用计数变为0，就会销毁对象，并释放他所占的内存。

auto r=make_shard<int>(42);//只有一个引用者
    r=q;
    //递增q指向的对象的引用计数
    //递减r原来指向对象的引用计数
    //r原来指向的对象没有引用者，会自动释放

**定义和改变shared\_ptr的其他方法：**

shared_ptr<T> p(q);
    
    //p从unique_ptr u 那里接管对象所有权 ，将u置空
    shared_ptr<T> p(u);
    
    //p管理内置指针q所指向的对象，将调用可调用对象d来代替delete(这里没要求q指向new分配的内存)
    shared_ptr<T>p(q,d);
    
    //p是智能指针p2的拷贝，唯一区别是p将用可调用对象d来代替delete
    shared_ptr<T> p(p2,d);
    
    /*1、（无参数版本）若p是唯一指向其对象的shared_ptr,会释放此对象。
      2、若传递了参数内置指针q,令p指向q。
      3、参数d,来代替delete
    */
    p.reset();
    p.reset(q);
    p.reset(q,d);
    
    //example:
    p=new int(1024);//错误
    p.reset(new int(1024));//p指向一个新对象 类似赋值
    
    //与unique混合使用
    if(!p.unique())
        p.reset(new string(*p));//不是唯一用户；分配新的拷贝
    *p+=newval;//现在是唯一用户，可以改变了。

1、使用new返回的指针初始化智能指针

shared_ptr<T>p(q);

上述指针q必须指向new分配的内存，因为智能指针默认使用它所关联的对象。并且可以转换成T\*类型。p管理内置指针q指向的内存。

example1:

//只能使用直接初始化，智能指针接收指针参数的构造函数时explicit的。
    shared_ptr<int> p1=new int(1024);//错误
    shared_ptr<int>p2(new int(1024));//正确
    
    shared_ptr<int> clone(int p)
    {
        return new int(p);//错误
        return shared_ptr<int>(new int(p));//正确
    }

example2:

/*混合使用普通指针与智能指针带来的问题*/
    void process(shared_ptr<int> ptr)
    {
        //使用ptr
    }
    int *x(new int(1024))
    process(x);//错误
    process(shared_ptr<int>(x));//正确，但是内存在process作用域之后会被释放掉
    int j=*x;//未定义，x为空悬指针
    /*正确使用：
    shared_ptr<int>p(new int(42));
    process(p); 拷贝p会增加引用计数
    int i=*p;
    */

note：当我们讲一个shared\_ptr绑定到一个普通指针时，我们将内存管理的责任就交给智能指针，不应该在使用内置指针访问。

example3:

/*使用get的返回值初始化另一个智能指针或赋值，要注意的问题*/
        shared_ptr<int>p(new int(1024));
        int *q=p.get();
        { //新作用域
            shared_ptr<int>(q);//两个不同的智能指针指向了相同的动态内存
        } //q被销毁，指向的内存被释放
        int foo=*p;//未定义：指向的内存被释放了  
    //此外，当p被销毁时，这块内存会被delete第二次。

**智能指针和异常**  
使用异常处理的程序能在异常发生后令程序流程继续，这种程序要求在异常发生后资源能被正确地释放。

void f()
    {
        shared_ptr<int> sp(new int(42));
        //这时抛出了一个异常，且在f中没有捕获
    }//在函数结束时，shared_ptr自动释放内存。

不论是正常处理结束还是发生了异常，在sp被销毁时会检查引用计数，当发现引用计数为0时，内存会被释放掉。

void f()
    {
        int *ip=new int(42);
        //这时抛出了一个异常，且在f中未捕获
        delete ip;
    }

如果在new和delete之间发生了一个异常，且异常没有在f中捕获，则内存永远不会被释放掉。因为，ip是指向此内存的唯一指针。

examle:

/*管理不具有良好定义的析构函数的类*/
    //例如使用一个网络库
    struct destination;  //表示我们正在连接什么
    struct connection;   //使用连接所需要的信息
    connection connect(destination*);//打开连接
    void disconnect(connection);  //关闭给定连接
    
    void f(destination &d)
    {
        //获得一个连接，使用完后要关闭它
        connection c=connect(&d);
        //使用连接
        //退出前，忘记调用disconnect，就无法关闭c。
    }
    
    /*使用shared_ptr来管理一个connection，需要定义一个函数来代替delete操作*/
    
    void end_connection(connection *p){disconnect(*p);}
    
    void f(destination &d)
    {
        connection c=connect(&d);
        shared_ptr<connection> p(&c,end_connection);
        //使用连接
        //connection 会被正常关闭
    }

当p被销毁时，他不会对自己保存的指针执行delete，而是调用end\_connection。

**unique\_ptr类**  
一个unique\_ptr拥有它所指向的对象。与shared\_ptr不同，某个时刻只能有一个unique\_ptr指向一个给定的对象。当unique\_ptr被销毁时，它所指向的对象也会被销毁。  
当我们定义一个unique\_ptr时，需要将其绑定到一个new返回的指针上（同样为explicit的）

unique_ptr<string> p1(new string(" asd"));
    unique_ptr<string> p2(p1);//错误
    unique_ptr<string> p3;
    p3=p1//错误

由于一个unique\_ptr独占它所指的对象，所以不支持普通的拷贝和赋值操作。  
但我们可以拷贝或赋值一个将要被销毁的unique\_ptr。如：

unique_ptr<int> clone(int p)
    {
        return unique_ptr<int>(new int(p));
    }
    
    //返回一个局部对象的拷贝
    unique_ptr<int> clone(int p)
    {
        unique_ptr ret<int>(new int(p));
        return ret;
    }

unique\_ptr所特有的操作：

unique_ptr<T> u1; //空unique_ptr
    unique_ptr<T,D> u2; //使用类型为D的可调用对象释放指针
    unique_ptr<T,D> u3(d);//用类型为D的对象d代替delete
    
    u=nullptr;//释放u所指向的对象
    u.release();//放弃对指针的控制权 并且返回指针，并将u置为空
    
    u.reset();//释放u所指对象
    u.reset(q);//如果提供了内置指针q,让u指向这个对象;否则置为空。
    u.reset(nullptr);

1、使用release或reset  
我们可以使用release或reset将指针的所有权从一个（非const）unique\_ptr转移给另外一个unique。

unique_ptr<string>p2(p1.release());//所有权转移给p2 p1置空
        unique_ptr<string> p3(new string(" asd"));
        p2.reset(p3.release());//释放了原来p2的内存 将p3的控制权转移给p2
    
        p.release();//错误 不会释放内存 但我们丢失了指针
        auto p2=p.release();//正确必须记得delete(p)

2、向unique传递删除器

//p指向一个类型为objT的对象，
    //并且使用一个类型为delT的对象释放objT对象
    //它会调用一个名为fcn的delT类型的对象。
    unique_ptr<objT,delT>p(new objT,fcn)
    
    //例如对于我们的连接操作
    void end_connection(connection *p){disconnect(*p);}
    
    void f(destination &d)
    {
        connection c=connect(&d);
        unique_ptr<connection,decltype(end_connection)*> p(&c,end_connection);
        //使用连接
        //connection 会被正常关闭
    }

**weak\_ptr类**  
weak\_ptr是一种不控制所指向对象生存周期的智能指针，它指向由一个shared\_ptr管理的对象。将一个weak\_ptr绑定到一个shared\_ptr不会改变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，即使有weak\_ptr指向对象，还是会被释放。是一种“弱”共享。  
weak\_ptr支持的操作：

weak_ptr<T> W ;//空的
    weak_ptr<t>W(sp);//sp为shared_ptr，T必须可以转换成sp指向的类型。
    w=p;//p可以为shared_ptr或者weak_ptr w与p共享对象
    
    w.reset();//w置空
    
    w.use_count();//与w共享对象shared_ptr的数量
    w.expired();//w.use_count()为0 位true
    w.lock();//如果expired为true返回一个空的shared_ptr，否则返回一个指向w的对象的shared_ptr

当我们创建一个weak\_ptr时，要用一个shared\_ptr来初始化它，并且由于对象有可能不存在，我们不能直接使用weak\_ptr直接访问对象，必须调用lock。检查weak\_ptr指向的对象是否存在。  
example：

auto p=make_shared<int>(42);
        weak_ptr<int> wp(p);
        if(shared_ptr<int>np=wp.lock()) //np不为空条件成立
        {
            //在if中，np与p共享对象
        }