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第十二章 动态内存

• 对象的生命周期：

  • 全局对象在程序启动时分配，结束时销毁。
  • 局部对象在进入程序块时创建，离开块时销毁。
  • 局部static对象在第一次使用前分配，在程序结束时销毁。
  • 动态分配对象：只能显式地被释放。

• 对象的内存位置：

  • 静态内存用来保存局部static对象、类static对象、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。
  • 堆内存，又称自由空间，用来存储动态分配的对象。

动态内存与智能指针

• 动态内存管理：
  • 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。
• 智能指针：
  • 管理动态对象。
  • 行为类似常规指针。
  • 负责自动释放所指向的对象。
  • 智能指针也是模板。

shared_ptr类

shared_ptr和unique_ptr都支持的操作：

操作	解释
shared_ptr<T> sp unique_ptr<T> up	空智能指针，可以指向类型是T的对象
p	将p用作一个条件判断，若p指向一个对象，则为true
*p	解引用p，获得它指向的对象。
p->mem	等价于(*p).mem
p.get()	返回p中保存的指针，要小心使用，若智能指针释放了对象，返回的指针所指向的对象也就消失了。
swap(p, q) p.swap(q)	交换p和q中的指针

shared_ptr独有的操作：

操作	解释
make_shared<T>(args)	返回一个shared_ptr，指向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<T>p(q)	p是shared_ptr q的拷贝；此操作会递增q中的计数器。q中的指针必须能转换为T*
p = q	p和q都是shared_ptr，所保存的指针必须能互相转换。此操作会递减p的引用计数，递增q的引用计数；若p的引用计数变为0，则将其管理的原内存释放。
p.unique()	若p.use_count()是1，返回true；否则返回false
p.use_count()	返回与p共享对象的智能指针数量；可能很慢，主要用于调试。

• 使用动态内存的三种原因：
  • 程序不知道自己需要使用多少对象（比如容器类）。
  • 程序不知道所需要对象的准确类型。
  • 程序需要在多个对象间共享数据。

直接管理内存

• 用new动态分配和初始化对象。
  • new无法为分配的对象命名（因为自由空间分配的内存是无名的），因此是返回一个指向该对象的指针。
  • int *pi = new int(123);
  • 一旦内存耗尽，会抛出类型是bad_alloc的异常。
• 用delete将动态内存归还给系统。
  • 接受一个指针，指向要释放的对象。
  • delete后的指针称为空悬指针（dangling pointer）。
• 使用new和delete管理动态内存存在三个常见问题：
  • 1.忘记delete内存。
  • 2.使用已经释放掉的对象。
  • 3.同一块内存释放两次。
• 坚持只使用智能指针可以避免上述所有问题。

shared_ptr和new结合使用

定义和改变shared_ptr的其他方法：

操作	解释
shared_ptr<T> p(q)	p管理内置指针q所指向的对象；q必须指向new分配的内存，且能够转换为T*类型
shared_ptr<T> p(u)	p从unique_ptr u那里接管了对象的所有权；将u置为空
shared_ptr<T> p(q, d)	p接管了内置指针q所指向的对象的所有权。q必须能转换为T*类型。p将使用可调用对象d来代替delete。
shared_ptr<T> p(p2, d)	p是shared_ptr p2的拷贝，唯一的区别是p将可调用对象d来代替delete。
p.reset()	若p是唯一指向其对象的shared_ptr，reset会释放此对象。若传递了可选的参数内置指针q，会令p指向q，否则会将p置空。若还传递了参数d，则会调用d而不是delete来释放q。
p.reset(q)	同上
p.reset(q, d)	同上

智能指针和异常

• 如果使用智能指针，即使程序块由于异常过早结束，智能指针类也能确保在内存不需要的时候将其释放。
• 智能指针陷阱：
  • 不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。
  • 如果你使用get()返回的指针，记得当最后一个对应的智能指针销毁后，你的指针就无效了。
  • 如果你使用智能指针管理的资源不是new分配的内存，记住传递给它一个删除器。

unique_ptr

• 某一个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定的对象。
• 不支持拷贝或者赋值操作。
• 向后兼容：auto_ptr：老版本，具有unique_ptr的部分特性。特别是，不能在容器中保存auto_ptr，也不能从函数返回auto_ptr。

unique_ptr操作:

操作	解释
unique_ptr<T> u1	空unique_ptr，可以指向类型是T的对象。u1会使用delete来是释放它的指针。
unique_ptr<T, D> u2	u2会使用一个类型为D的可调用对象来释放它的指针。
unique_ptr<T, D> u(d)	空unique_ptr，指向类型为T的对象，用类型为D的对象d代替delete
u = nullptr	释放u指向的对象，将u置为空。
u.release()	u放弃对指针的控制权，返回指针，并将u置空。
u.reset()	释放u指向的对象
u.reset(q)	令u指向q指向的对象
u.reset(nullptr)	将u置空

weak_ptr

• weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针。
• 指向一个由shared_ptr管理的对象，不改变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，不管有没有weak_ptr指向该对象。

weak_ptr操作:

操作	解释
weak_ptr<T> w	空weak_ptr可以指向类型为T的对象
weak_ptr<T> w(sp)	与shared_ptr指向相同对象的weak_ptr。T必须能转换为sp指向的类型。
w = p	p可以是shared_ptr或一个weak_ptr。赋值后w和p共享对象。
w.reset()	将w置为空。
w.use_count()	与w共享对象的shared_ptr的数量。
w.expired()	若w.use_count()为0，返回true，否则返回false
w.lock()	如果expired为true，则返回一个空shared_ptr；否则返回一个指向w的对象的shared_ptr。

动态数组

new和数组

• new一个动态数组：

  • 类型名之后加一对方括号，指明分配的对象数目（必须是整型，不必是常量）。
  • 返回指向第一个对象的指针。
  • int *p = new int[size];

• delete一个动态数组：

  • delete [] p;

• unique_ptr和数组：

  • 指向数组的unique_ptr不支持成员访问运算符（点和箭头）。

操作	解释
unique_ptr<T[]> u	u可以指向一个动态分配的数组，整数元素类型为T
unique_ptr<T[]> u(p)	u指向内置指针p所指向的动态分配的数组。p必须能转换为类型T*。
u[i]	返回u拥有的数组中位置i处的对象。u必须指向一个数组。

allocator类

• 标准库allocator类定义在头文件memory中，帮助我们将内存分配和对象构造分离开。
• 分配的是原始的、未构造的内存。
• allocator是一个模板。
• allocator<string> alloc;

标准库allocator类及其算法：

操作	解释
allocator<T> a	定义了一个名为a的allocator对象，它可以为类型为T的对象分配内存
a.allocate(n)	分配一段原始的、未构造的内存，保存n个类型为T的对象。
a.deallocate(p, n)	释放从T*指针p中地址开始的内存，这块内存保存了n个类型为T的对象；p必须是一个先前由allocate返回的指针。且n必须是p创建时所要求的大小。在调用deallocate之前，用户必须对每个在这块内存中创建的对象调用destroy。
a.construct(p, args)	p必须是一个类型是T*的指针，指向一块原始内存；args被传递给类型为T的构造函数，用来在p指向的内存中构造一个对象。
a.destroy(p)	p为T*类型的指针，此算法对p指向的对象执行析构函数。

allocator伴随算法：

操作	解释
uninitialized_copy(b, e, b2)	从迭代器b和e给定的输入范围中拷贝元素到迭代器b2指定的未构造的原始内存中。b2指向的内存必须足够大，能够容纳输入序列中元素的拷贝。
uninitialized_copy_n(b, n, b2)	从迭代器b指向的元素开始，拷贝n个元素到b2开始的内存中。
uninitialized_fill(b, e, t)	在迭代器b和e执行的原始内存范围中创建对象，对象的值均为t的拷贝。
uninitialized_fill_n(b, n, t)	从迭代器b指向的内存地址开始创建n个对象。b必须指向足够大的未构造的原始内存，能够容纳给定数量的对象。

• 定义在头文件memory中。
• 在给定目的位置创建元素，而不是由系统分配内存给他们。