「C++系列」动态内存

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文章目录

一、动态内存
- 1. 使用`new`和`delete`
- - ①分配单个对象
  - ②分配对象数组
- 2. 注意事项
- 3. 智能指针
- 4.示例：使用`std::unique_ptr`
二、内存管理函数
- 1. C语言风格的内存管理函数
- 2. C++特有的内存管理操作符
- 3. 智能指针
三、栈内存和堆内存
- 1. 栈内存（Stack Memory）
- 2. 堆内存（Heap Memory）
- 3. 注意事项
- 4. 结论
四、相关链接

一、动态内存

在C++中，动态内存管理是一个重要的概念，它允许程序在运行时根据需要分配和释放内存。这与静态内存分配（在编译时确定大小）和栈内存分配（在函数调用时自动分配和释放）不同。动态内存分配通常使用new和delete操作符（对于单个对象）或new[]和delete[]操作符（对于对象数组）来完成。

1. 使用`new`和`delete`

①分配单个对象

int* ptr = new int; // 分配一个int类型的内存空间
*ptr = 10; // 使用该内存空间
delete ptr; // 释放内存
ptr = nullptr; // 避免野指针

②分配对象数组

int* arr = new int[10]; // 分配一个包含10个int的数组
for(int i = 0; i < 10; ++i) {
    arr[i] = i; // 初始化数组
}
delete[] arr; // 释放数组内存
arr = nullptr; // 避免野指针

2. 注意事项

内存泄漏：如果分配了内存但没有释放，那么这块内存就会一直占用，直到程序结束。这可能导致程序使用的内存不断增加，最终耗尽系统资源。
野指针：如果释放了内存但没有将指针设置为nullptr，那么这个指针就变成了野指针。尝试通过野指针访问内存是未定义行为，可能导致程序崩溃。
异常安全：在分配内存后，如果发生异常，那么可能会跳过释放内存的代码。使用智能指针（如std::unique_ptr和std::shared_ptr）可以自动管理内存，提高代码的异常安全性。

3. 智能指针

C++11及以后的版本引入了智能指针，它们可以自动管理内存，减少内存泄漏和野指针的风险。

std::unique_ptr：独占式拥有其所指对象，同一时间内只能有一个std::unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝构造函数和拷贝赋值操作符，只提供移动语义）。
std::shared_ptr：允许多个std::shared_ptr实例共享同一个对象。当最后一个拥有该对象的std::shared_ptr被销毁时，对象也会被销毁。
std::weak_ptr：一种不拥有其所指对象的智能指针，主要用来解决std::shared_ptr之间循环引用的问题。

4.示例：使用`std::unique_ptr`

#include <memory>

int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr(new int(10));
    // 使用ptr...
    // 当ptr离开作用域时，它指向的内存会自动被释放
    return 0;
}

使用智能指针可以大大简化动态内存的管理，减少错误，提高代码的安全性和可维护性。

二、内存管理函数

在C++中，内存管理主要通过几种方式实现，包括使用C语言风格的内存管理函数以及C++特有的操作符和智能指针。以下是C++中常见的内存管理函数和机制：

1. C语言风格的内存管理函数

这些函数在C++中仍然可以使用，因为它们被C++继承并兼容。

malloc：用于动态分配指定大小的内存块。分配的内存不会自动初始化，其内容是不确定的。如果分配成功，返回指向分配的内存的指针；如果失败，返回NULL。

int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
if (ptr != NULL) {
    // 使用ptr
    free(ptr);
}

calloc：类似于malloc，但它会额外将分配的内存初始化为零。它接受两个参数：元素的数量和每个元素的大小。

int* arr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (arr != NULL) {
    // 使用arr
    free(arr);
}

realloc：用于调整之前通过malloc或calloc分配的内存块的大小。如果调整成功，返回指向新内存块的指针（可能与原指针相同，也可能不同）；如果失败，返回NULL，并且原内存块保持不变。

int* new_arr = (int*)realloc(arr, 20 * sizeof(int));
if (new_arr != NULL) {
    arr = new_arr;
    // 使用arr
}
free(arr);

free：用于释放之前通过malloc、calloc或realloc分配的内存块。同一块内存只能被释放一次，多次释放会导致未定义行为。

free(ptr);

2. C++特有的内存管理操作符

C++引入了new和delete操作符来简化内存管理，并自动处理对象的构造和析构。

new：用于动态分配内存，并自动调用对象的构造函数（如果适用）。对于内置类型，它类似于malloc，但不需要类型转换。对于类类型，它还会调用构造函数。

int* ptr = new int;
MyClass* obj = new MyClass;
delete ptr;
delete obj;

new[]：用于动态分配一个对象数组的内存，并自动调用数组中每个对象的构造函数（如果适用）。

int* arr = new int[10];
MyClass* objs = new MyClass[5];
delete[] arr;
delete[] objs;

delete：用于释放之前通过new分配的内存块，并自动调用对象的析构函数（如果适用）。
delete[]：用于释放之前通过new[]分配的内存块，并自动调用数组中每个对象的析构函数（如果适用）。

3. 智能指针

C++11及以后的版本引入了智能指针，如std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr，它们可以自动管理内存，减少内存泄漏和野指针的风险。

std::unique_ptr：独占式拥有其所指对象，同一时间内只能有一个std::unique_ptr指向给定对象。
std::shared_ptr：允许多个std::shared_ptr实例共享同一个对象。当最后一个拥有该对象的std::shared_ptr被销毁时，对象也会被销毁。
std::weak_ptr：一种不拥有其所指对象的智能指针，主要用来解决std::shared_ptr之间循环引用的问题。

智能指针通过封装裸指针并提供自动内存管理功能，使得C++中的动态内存管理更加安全和方便。

三、栈内存和堆内存

在C++中，内存管理是一个核心概念，它涉及到如何分配、使用和释放程序运行时所需的内存。C++程序中的内存主要分为几个区域，其中栈内存（Stack Memory）和堆内存（Heap Memory）是最常见的两种。

1. 栈内存（Stack Memory）

栈内存是自动分配和释放的内存区域。它遵循后进先出（LIFO, Last In First Out）的原则。栈内存主要用于存储局部变量、函数参数和返回值等。每当函数被调用时，它的局部变量和参数就会被推入栈中，并在函数返回时从栈中弹出。栈的大小在程序编译时就已经确定，并且通常比堆小得多。

特点：

自动管理：不需要程序员手动分配和释放内存。
速度快：由于栈内存的操作简单且高效，访问速度非常快。
有限大小：栈的大小在编译时确定，并且相对较小，可能导致栈溢出（Stack Overflow）错误。

2. 堆内存（Heap Memory）

堆内存是动态分配和释放的内存区域。与栈内存不同，堆内存的大小不是固定的，它可以在程序运行时根据需要动态地增长和缩小。堆内存主要用于存储那些大小在程序编译时未知的对象，或者需要在程序的不同部分之间共享的数据。堆内存的分配和释放需要程序员手动管理，通常使用new和delete操作符（对于单个对象）或new[]和delete[]操作符（对于对象数组）来完成。

特点：