动态内存基础（二）

news2024/11/17 15:37:44

智能指针
● 使用 new 与 delete 的问题：内存所有权不清晰，容易产生不销毁，多销毁的情况

int* fun()
{
    int* res = new int(100); //fun()拥有对fun()申请的内存的销毁权
    return res;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    int* y = fun(); //main()也拥有对fun()申请的内存的销毁权

    return a.exec();
}

int* fun()
{
    static int res = 100; //fun()拥有对fun()申请的内存的销毁权
    return &res;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    int* y = fun(); //main()可能无权销毁fun()中的静态数据

    return a.exec();
}

● C++ 的解决方案：智能指针
– auto_ptr （ C++17 删除）
– shared_ptr / uniuqe_ptr / weak_ptr
● shared_ptr——基于引用计数的共享内存解决方案
– 基本用法

#include<memory> //包含头文件memory
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    std::shared_ptr<int> x(new int(3)); //声明等价于int* x(new int(3))
    std::cout << *x << std::endl;

    return a.exec();
}

在这里插入图片描述

#include<memory>
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    std::shared_ptr<int> x(new int(3)); //通过引用计数（同一时刻该内存的使用者数量）来决定什么时候销毁，不会产生内存泄漏。此时引用计数为1
    std::cout << x.use_count() << std::endl; //输出1
    std::shared_ptr<int> y = x; //OK，不会产生内存泄漏。与x共享引用计数对象，此时引用计数为2
    std::cout << y.use_count() << std::endl; //输出2
    std::cout << x.use_count() << std::endl; //输出2
    //程序结束先销毁y，调用y的析构函数，引用计数变为1，再销毁x，调用x的析构函数，引用计数变为0，调用delete
    
    return a.exec();
}

在这里插入图片描述

#include<memory>
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    std::shared_ptr<int> x(new int(3));
    std::cout << x.use_count() << std::endl; //输出1
    {
        std::shared_ptr<int> y = x;
        std::cout << y.use_count() << std::endl; //输出2
        //因为在语句体当中，语句结束销毁y
    }
    std::cout << x.use_count() << std::endl; //输出1

    return a.exec();
}

在这里插入图片描述

#include<memory>
std::shared_ptr<int> fun()
{
    std::shared_ptr<int> res(new int(100));
    std::cout << res.use_count() << std::endl; //输出1
    return res;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    auto y = fun();
    std::cout << y.use_count() << std::endl; //输出1
    //主函数结束，引用计数变为1，调用delete

    return a.exec();
}

在这里插入图片描述

– reset / get 方法
std::shared_ptr::reset
std::shared_ptr::get

#include<memory>
std::shared_ptr<int> fun()
{
    std::shared_ptr<int> res(new int(100));
    return res;
}

void fun2(int*)
{
    
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    auto y = fun();
    std::cout << *y << std::endl; //y的类型std::shared_ptr<int>
    std::cout << *(y.get())<< std::endl; //y.get()的类型为int*。get() 返回存储的指针，而非被管理指针。
    
    fun2(y); //类型不匹配
    fun2(y.get()); //兼容C风格指针，支持相互调用
    return a.exec();
}

#include<memory>
std::shared_ptr<int> fun()
{
    std::shared_ptr<int> res(new int(100));
    return res;
}

void fun2(int*)
{

}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    auto y = fun();
    y.reset(new int(3)); //释放原先的内存，关联到新内存
    y.reset((int*)nullptr); //等价于std::shared_ptr<int> z;。nullptr不能隐式转换为int*，要加上(int*)

    return a.exec();
}

– 指定内存回收逻辑
std::shared_ptr::shared_ptr：template< class Y, class Deleter >
shared_ptr( Y* ptr, Deleter d );

#include<memory>
void fun(int* ptr)
{
	std::cout << "void fun(int* ptr)" << std::endl;
	delete ptr;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<int> res(new int(3), fun);

}

在这里插入图片描述

void dummy(int*)
{
	std::cout << "void dummy(int*)\n";
}
std::shared_ptr<int> fun()
{
	static int res = 3;
	return std::shared_ptr<int>(&res, dummy);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
	auto y = fun();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

– std::make_shared

int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<int> ptr(new int(3)); //ptr保存了申请的动态内存的地址和引用计数（也在堆上）的地址
	std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr; //OK，希望和ptr共享同一个引用计数
	auto ptr3 = std::make_shared<int>(3); //OK，构造了动态内存和引用计数，make_shared引入了优化，使得这两块内存距离足够近，属于同一条缓存线，可以同时被读入缓存，只需一次访存，就可以完成引用计数-1并调用delete，提升了性能

	return 0;
}

– 支持数组（ C++17 支持 shared_ptr<T[]> ； C++20 支持 make_shared 分配数组）

#include<memory>
int main(int argc, char *argv[])
{
	//Before C++17, 指定内存回收逻辑，释放对象数组
	std::shared_ptr<int[]> ptr(new int[5]); //Since C++17
	auto ptr2 = std::make_shared<int[]>(5); //Since C++20, 等价于std::shared_ptr<int[]> ptr2 = std::make_shared<int[]>(5);

	return 0;
}

– 注意： shared_ptr 管理的对象不要调用 delete 销毁

#include<memory>
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<int> m(new int(3)); //shared_ptr已经包含delete m.get();
	delete m.get(); //Error: double free detected

	std::shared_ptr<int> x(new int(3)); //shared_ptr已经包含delete x.get();
	std::shared_ptr<int> y(x); //OK，x的内存信息和引用计数信息都传递给y
	std::shared_ptr<int> y(x.get()); //Error: double free detected，系统认为y拥有这块内存的拥有权，并将引用计数置为1，销毁y的时候，引用计数-1并释放内存，销毁x的时候又是引用计数-1并释放内存，导致错误

	return 0;
}

● unique_ptr——独占内存的解决方案
– 基本用法
– unique_ptr 不支持复制，但可以移动

#include<iostream>
#include<new>
#include<memory>
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::unique_ptr<int> x(new int(3)); //x独享new int(3)占用的内存
	std::cout << x.get() << '\n';
	//std::unique_ptr<int> y = x; //Error
	std::unique_ptr<int> z = std::move(x); //OK
	std::cout << x.get() << '\n'; //x的内容已经移动到z里了
	std::cout << z.get() << '\n'; //打印原先x独享的内存
	return 0;
}

在这里插入图片描述

#include<iostream>
#include<new>
#include<memory>
std::unique_ptr<int> fun()
{
	//std::unique_ptr<int> res(new int(3));
	auto res = std::make_unique<int>(3); //等价于上面的语句
	return res;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::unique_ptr<int> x = fun();
	std::cout << x.get() << std::endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

– 为 unique_ptr 指定内存回收逻辑

#include<iostream>
#include<new>
#include<memory>
void fun(int* ptr)
{
	std::cout << "void fun()\n";
	delete ptr;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
	//std::unique_ptr<int> x(new int(3), fun); //fun与unique_ptr的第二个缺省实参类型不匹配
	std::unique_ptr<int,decltype(&fun)> x(new int(3), fun); //使用decltype(&fun);让编译器自动推导其类型
	std::cout << x.get() << std::endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

● weak_ptr——防止循环引用而引入的智能指针

struct Str
{
	std::shared_ptr<Str> m_mei;
	~Str()
	{
		std::cout << "Str::~Str()\n";
	}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<Str> x(new Str{}); //x包含的内存的引用计数为1
	std::shared_ptr<Str> y(new Str{}); //y包含的内存的引用计数为1
	x->m_mei = y; //y的引用计数由1变为2，因为x也引用了y包含的内存
	y->m_mei = x;//x的引用计数由1变为2，因为y也引用了x包含的内存
	//程序运行到这里y（x也是一样的）的引用计数由2变为1，不调用析构函数
	//程序结束之后并没有打印Str::~Str()，说明构造的对象并没有被销毁
	return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Str
{
	std::shared_ptr<Str> m_mei;
	~Str()
	{
		std::cout << "Str::~Str()\n";
	}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<Str> x(new Str{});
	std::shared_ptr<Str> y(new Str{});
	x->m_mei = y;
	//y->m_mei = x; //如果注掉这句话就OK
	return 0;
}

在这里插入图片描述

#include<iostream>
#include<new>
#include<memory>
struct Str
{
	std::shared_ptr<Str> m_mei;
	~Str()
	{
		std::cout << "Str::~Str()\n";
	}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<Str> x(new Str{});
	//std::shared_ptr<Str> y(new Str{});
	x->m_mei = x; //自己给自己赋值也会造成循环引用
	return 0;
}

在这里插入图片描述

– 基于 shared_ptr 构造

#include<iostream>
#include<new>
#include<memory>
struct Str
{
	std::weak_ptr<Str> m_mei;
	~Str()
	{
		std::cout << "Str::~Str()\n";
	}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<Str> x(new Str{}); //weak_ptr可以和shared_ptr共享一块内存，但weak_ptr在构造的时候并不会增加shared_ptr的引用计数
	std::shared_ptr<Str> y(new Str{});
	x->m_mei = y; //可以使用一个shared_ptr初始化一个weak_ptr，初始化后并不会增加y的引用计数的值
	y->m_mei = x; //x和y内的引用计数都是1
	return 0;
}

在这里插入图片描述

– lock 方法

struct Str
{
	std::weak_ptr<Str> m_mei;
	~Str()
	{
		std::cout << "Str::~Str()\n";
	}
};
int main(int argc, char *argv[])
{
	std::shared_ptr<Str> x(new Str{});
	std::shared_ptr<Str> y(new Str{});
	x->m_mei = y;
	y->m_mei = x;

	auto ptr = x->m_mei.lock(); //ptr指向一个有效的shared_ptr
	if (ptr)
	{
		std::cout << "Can access pointer\n";
	}
	else
	{
		std::cout << "Cannot access pointer\n";
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述
参考
深蓝学院：C++基础与深度解析

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