《C++ Primer》第12章 动态内存（一）

news2025/1/16 11:06:47

参考资料：

  • 《C++ Primer》第5版
  • 《C++ Primer 习题集》第5版

我们的程序目前只用过静态内存和栈内存。静态内存用来保存局部 static 对象、类 static 成员、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。分配在静态内存和栈内存的对象由编译器自动创建和销毁，

除了静态内存和栈内存，每个程序还拥有一个内存池，被称作自由空间（free store）或堆（heap）。程序用堆来存储动态分配（dynamic allocate）的对象。动态对象的生存周期由程序控制，当动态对象不再使用时，代码必须显式地销毁它们。

12.1 动态内存与智能指针（P400）

在 C++ 中，动态内存的管理是通过一对运算符完成的：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。

动态内存的使用很容易出现问题：有时我们会忘记释放内存；有时我们会在尚有指针引用内存的情况下就释放内存。

为了更容易和更安全地使用动态内存，新标准库提供了两种智能指针（smart pointer）类型来管理动态对象。与普通指针的主要不同点在于，智能指针可以自动释放对象。shared_ptr 允许多个指针指向同一个对象；unique_str “独占”所指对象。此外，标准库还定义了一个名为 weak_ptr 的伴随类，它是一种弱引用，指向 shared_ptr 所管理的对象。这三种类型都定义在头文件 memory 中。

12.1.1 shared_ptr类（P400）

智能指针是模板，我们在创建智能指针时必须提供指针指向的类型：

shared_ptr<stirng> p1;    // 空指针
shared_ptr<list<int>> p2;

智能指针的使用方式和普通指针类似：解引用一个智能指针返回它所指的对象；在条件判断中使用智能指针，就是检测它是否为空：

if(p1 && p1->empty()){
    *p1 = "hi";
}
8b7dbc740845e684a16e8c36b74ae96

make_shared函数

分配和使用动态内存最安全的做法是调用一个定义在头文件 memory 中，名为 make_shared 的标准库函数，该函数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 。

使用 make_shared 时，必须指定要创建的对象的类型：

// p3指向值为7的int对象
shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>(7);
// p4指向值为“999”的string对象
shared_ptr<string> p4 = make_shared<string>(3, '9');
// p5指向值为0（值初始化）的int对象
shared_ptr<int> p5 = make_shared<int>();

类似顺序容器的 emplace 成员，make_shared 用参数来构造对象，如果我们不传递任何参数，对象就会进行值初始化。

shared_ptr的拷贝和赋值

每个 shared_ptr 对象都会记录有多少个 shared_ptr 指向相同的对象：

auto p = make_shared<int>(7);
auto q(p);
cout << p.use_count() << ' ' << q.use_count();    // 输出2 2

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（reference count）。当我们拷贝一个 shared_ptr 时（如拷贝构造、参数传递、作为函数返回值），它所关联的计数器会递增；当一个 shared_ptr 被赋予新值或被销毁时，它所关联的计数器会递减。

一旦一个 shared_ptr 的计数器变为 0 ，它就会自动释放自己管理的对象。

auto r = make_shared<int>(42);
r = q; // 递增q所指对象的引用计数
       // 递减r原来所指对象的引用计数
       // r原来所指对象的计数器变为0，自动释放

shared_ptr自动销毁所管理的对象

shared_ptr 通过析构函数自动销毁对象。

shared_ptr还会自动释放相关联的内存

使用了动态生存期的资源的类

程序使用动态内存出于以下三种原因：

  • 程序不知道自己需要使用多少对象
  • 程序不知道对象的准确类型
  • 程序需要在多个对象间共享数据

目前为止，我们使用过的类中，分配的资源与对应对象的生存期一致。例如，每个 vector “拥有”自己的元素，当我们拷贝一个 vector 时，原 vector 和副本 vector 中的元素是相互分离的：

vector<int> v1 = { 0,1,2 };
vector<int> v2;
v2 = v1;
v1.clear();
cout << v2.size();    // 输出为3

假定我们要定义一个 Blob 类，保存一组元素，希望 Blob 对象的不同拷贝之间共享元素。

定义StrBlob类

由于还没有学习模板的相关知识，所以我们先定义一个管理 string 的类，命名为 StrBlob ：

class StrBlob {
public:
	using size_type = vector<string>::size_type;
	StrBlob();
	StrBlob(initializer_list<string> il);
	size_type size() const { return data->size(); }
	bool empty() const { return data->empty(); }
	void push_back(const string &t) { data->push_back(t); }
	void pop_back();
	string &front();
	string &back();
private:
    // 使用shared_ptr实现数据共享
	shared_ptr<vector<string>> data;
	void check(size_type i, const string &msg) const;
};

StrBlob构造函数

StrBlob::StrBlob() :data(make_shared<vector<string>>()) { }
StrBlob::StrBlob(initializer_list<string> il):
	data(make_shared<vector<string>>(il)){ }

元素访问成员

void StrBlob::check(size_type i, const string &msg)const {
	if (i >= data->size()) {
		throw out_of_range(msg);
	}
}
string &StrBlob::front() {
	check(0, "front on empty StrBlob");
	return data->front();
}
string &StrBlob::back() {
	check(0, "back on empty StrBlob");
	return data->back();
}
void StrBlob::pop_back() {
	check(0, "pop_back on empty StrBlob");
	data->pop_back();
}

StrBlob的拷贝、赋值和销毁

StrBlob 使用默认版本的拷贝、赋值和析构函数。

12.1.2 直接管理内存（P407）

使用new动态分配和初始化对象

在堆中分配的内存是无名的，因此 new 无法为其分配的对象命名，而是返回一个指向该对象的指针：

int *pi = new int;

默认情况下，动态分配的对象执行默认初始化。我们可以使用直接初始化来初始化一个动态分配的对象：

int *pi = new int(7);
int *ps = new string(3, '9');
vector<string> *pv = new vector<string>{"hi", "hello"};

也可以对动态分配的对象进行值初始化，只需在类型名后面跟一对空括号即可：

int *pi1 = new int;    // 默认初始化
int *pi2 = new int();    // 值初始化

我们可以使用 auto 从初始化器推断我们要分配的对象的类型，但仅支持单一初始化器：

string str = "hello";
auto p1 = new auto(str);    // p为string*
auto p2 = new auto{str, str};    // 错误

动态分配的const对象

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

内存耗尽

如果 new 不能分配所要求的空间，它会抛出一个类型为 bad_alloc 的异常：

int *p1 = new int;    // 分配失败则抛出bad_alloc异常
int *p2 = new (nothrow) int;    // 分配失败则返回空指针

bad_alloc 和 nothrow 都定义在头文件 new 中。

释放动态内存

delete 销毁给定指针指向的对象，释放对应的内存：

delete p;

指针值和delete

我们传递给 delete 的指针必须指向动态分配的内存，或者是一个空指针。释放一块非 new 分配的内存，或多次释放相的指针值的行为是未定义的。

const 对象的值不能改变，但本身可以被销毁：

const int *pci = new const int(7);
delete pci;

动态对象的生存期直到被释放为止

对于一个由内置指针管理的动态对象，直到被显式释放前它都是存在的：

Foo* factory(T arg){
    return new Foo(arg);
}
void use_factory(T arg){
    Foo *p = factory(arg);
}

当 use_factory 返回时，p 被销毁，但其指向的动态内存却没有被释放。

12.1.3 shared_ptr和new结合使用（P412）

我们可以用 new 返回的指针来初始化智能指针：

shared_ptr<int> p(new int(7));

接受指针参数的智能指针构造函数是 explicit 的，因此我们必须使用直接初始化形式：

shared_ptr<int> p1 = new int(1024);    // 错误，不能隐式转换
shared_ptr<int> p2(new int(1024));

shared_ptr<int> clone(int p){
    return new int(p);
}    // 错误
shared_ptr<int> clone(int p){
    return shared_ptr<int>(new int(p));
}    // 正确

默认情况下，智能指针使用 delete 释放它关联的对象。我们也可以提供自己的操作来替代 delete ：

a4c3163f1daac42942400ebb4a79d21 7cd6f77ca6fd1481c203a455baede58

似乎没有 shared_ptr<T> p(p2, d) 这个构造函数，书上是不是写错了🤔

不要混用普通指针和智能指针

shared_ptr 可以协调对象的析构，但这仅限于其自身的拷贝。考虑下面的函数：

void process(shared_ptr<int> ptr){
    ...
}

process 采用值传递，实参会拷贝到 ptr 中，导致引用计数递增。如果我们尝试混用普通指针和 shared_ptr ：

int *x = new int(1024);
process(x);    // 错误，不能将int*隐式转换为shared_ptr<int>
process(shared_ptr<int>(x));    // 合法，但x指向的内存会被释放！
// 此时x已经变成空悬指针

当我们将一个 shared_ptr 绑定到一个普通指针后，就不应该再使用该普通指针了。

也不要使用get初始化另一个智能指针或为智能指针赋值

智能指针定义了名为 get 的成员函数，返回一个内置指针，指向智能指针管理的对象。

虽然编译器不会给出报错信息，但将另一个智能指针绑定到 get 返回的指针是错误的：

shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(7);    // 引用计数为1
int *q = p1.get();
{
	// 两个独立的shared_ptr指向相同的内存，引用计数均为1
	shared_ptr<int> p2(q);
}    // p2被销毁，进而导致p1指向的内存被释放
int foo = *p1;    // 未定义

不要 delete 通过 get 得到的指针，也不要用 get 得到的指针初始化另一个智能指针或者为另一个智能指针赋值。

其他shared_ptr操作

我们可以用 reset 来将一个新的指针赋予一个 shared_ptr ：

p = new int(1024);    // 错误
p.reset(new int(1024));

reset 常常与 unique 一起使用：

if(!p.unique())
    p.reset(new string(*p));    // 如果p不是唯一用户，则分配新的拷贝
*p += newVal;    // p为唯一用户，可以随意修改对象的值

练习

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这道题涉及到了 explicit 构造函数、参数传递等问题，有些细节我还不是很清楚，目前只能给出一种相对合理的理解。假设有函数 f(int a) ，然后我们调用它 f(b) ，此时参数初始化的过程等价于执行 int a = b 。所以上面题目中的 b) 实际上执行了 shared_ptr<int> ptr = temp ，temp为临时量，类型为 int* ，而这条语句上执行的是拷贝初始化（尽管编译器可能优化为直接初始化），这不符合 explicit 的要求。

12.1.4 智能指针和异常（P415）

使用智能指针可以确保在异常发生后资源能被正确释放：

void f(){    // 普通指针
    int *ip = new int();
    // 此时代码抛出一个异常，且在f中未被捕获
    // ip被销毁，其指向的内存没有被释放
    delete ip;    
}

void f(){    // 智能指针
    shared_ptr<int> sp(new int());
    // 此时代码抛出一个异常，且在f中未被捕获
    // sp被销毁的同时，其管理的内存也被释放
}

智能指针和哑类

有些类的析构函数并不负责释放资源，特别是为 C 和 C++ 两种语言设计的类，通常要求用户显式释放所使用的资源。

假设我们正在使用一个 C 和 C++ 都使用的网络库：

struct destination;    // 表示我们正在连接什么
struct connection;    //使用连接所需的信息
connection connect(destination *);    // 打开连接
void disconnect(connection);    // 关闭给定的连接
void f(destination &d /* 其他参数 */) {
	connection c = connect(&d);
	// 如果在f退出前忘记调用disconnect，就无法关闭c了
}

使用 shared_ptr 可以有效解决上述问题。

使用我们自己的释放操作

为了用 shared_ptr 来管理一个 connection ，我们必须定义一个删除器（deleter） 函数来代替 delete ：

void end_connection(connection *p) { disconnect(*p); }
void f(destination &d /* 其他参数 */) {
	connection c = connect(&d);
    shared_ptr<connection> p(&c, end_connection);
    // 当p被销毁时，调用end_connection
}

为了正确使用智能指针，我们必须坚持一些基本规范：

  • 不使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。
  • 使用 get() 返回的指针时，记住最后一个对应的指针销毁后，指针就变为无效了。
  • 如果智能指针管理的资不是 new 分配的内存，记住传递一个删除器。

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