内存管理

• 堆

  • 定义：动态分配内存的区域

  • c++会设计到的两个有关内存管理器的操作

    1. 让内存管理器分配一个某大小的内存块

       分配内存要考虑程序当前已经有多少未分配的内存

       内存不足时要从操作系统申请新的内存;内存充足时，从可用内存里取出一块合适大小的内存，将其标记为已用，再将其返回给要求内存的代码

    2. 让内存管理器释放一个之前分配过的内存块

       对于连续未使用的内存块，内存管理器需要将其合并成一块，以便可以满足后续较大内存的分配

• 栈

  • 定义：函数调用过程中产生的本地变量和调用数据的区域
  • 大致执行过程：
    • 当函数调用另一个函数时，会把参数也压入栈里，然后把下一行汇编指令的地址压入栈，并跳转到新的函数。新的函数进入后，首先做一些必须的保存工作，然后会调整栈指针，分配出本地变量所需的空间，随后执行函数中的代码，并在执行完毕之后，根据调用者压入栈的地址，返回到调用者未执行的代码中继续执行
  • 优点：
    1. 栈上的分配十分简单，只需移动栈指针
    2. 栈上的释放十分简单，函数执行结束时只需移动栈指针
    3. 由于后进先出的执行过程，不可能出现内存碎片

• RAII(Resource Acquisition Is Initialization)

  • 定义：RAII 依赖于栈和析构函数，对所有的资源进行管理
  • 栈方便且风险低，为什么使用RAII?
    1. 对象占用内存很大
    2. 在编译期不能确定对象的大小
    3. 对象是函数的返回值，但由于特殊原因(如对象切片)，不应使用对象的值进行返回
  • 用途：
    1. 在析构函数里释放内存
    2. 关闭文件
    3. 释放同步锁
    4. 释放其他重要的系统资源

智能指针

• 什么是智能指针?
  1. 完全实践RAII，包装裸指针
  2. 行为类似常规指针，但负责自动释放所指对象
  3. 一个模板
  4. 使用动态内存
• 为什么使用智能指针？
  • 能够自动适应各种复杂的情况，防止误用指针导致的隐患。如，内存泄漏
• 三种智能指针。都定义在<memory>
  1. unique_ptr。独占所指对象
  2. shared_ptr。允许多个指针指向同一对象
  3. weak_ptr。一种弱引用，指向shared_ptr所管理的对象
• 建议
  1. 内置指针仅用于范围、循环或助手函数有限的小代码块中，这些代码块的性能非常关键，而且不存在混淆所有权的可能性
  2. 在单独的代码行上创建智能指针，而不要在参数列表中创建智能指针，这样就不会因为参数列表分配规则而发生可能的资源泄漏

unique_ptr

• 操作

  unique_ptr<T> u1 unique_ptr<T,D>u2	空unique_ptr,可以指向类型为T的对象。 u1自己调用delete释放它的指针；u2自己调用一个类型为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置空
  u.release()	返回指针，u放弃对指针的控制权，并将u置空
  u.reset()	释放u指向的对象
  u.reset(q) u.reset(nullptr)	如果提供内置指针q，令u指向q指向的对象。否则将u置空

  其中，T是对象类型，D为删除器
  更多的参见shared_ptr

• 特性：

  1. 一个unique_ptr只能指向一个对象，且当unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也被销毁
  2. unique_ptr离开作⽤域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁（默认delete）
  3. unique_ptr不是指针，而是对象
  4. 定义unique_ptr时，需要将其绑定到一个new返回的指针
  5. 不能对unique_ptr调用delete。它会自动管理初始化时的指针，在离开作用域时析构释放内存
  6. 不支持加减运算，不能随意移动指针地址
  7. 不支持普通的拷贝或赋值

• 所有权

  1. 一个unique_ptr只能指向一个对象，且当unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也被销毁。为了实现这个目的，unique_ptr使用了move语义，且禁止拷贝赋值，必须使用std::move()显示地声明所有权转移
  2. 尽量不要对 unique_ptr 执行赋值操作

shared_ptr

• 操作

  shared_ptr和unique_ptr都支持的操作
  shared_ptr<T> sp unique_ptr<T> up	空智能指针，可以指向类型为T的对象
  p	若p指向一个对象，则为true
  *p	解引用p,获得它所指对象
  p->mem	等价于(*p).mem
  p.get()	返回p中保存的指针
  swap(p,q) p.swap(q)	交换p和q中的指针

  shared_ptr独有的操作
  make_shared<T>(args)	返回一个shared_ptr,指向动态分配的类型为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 递增q的引用计数 q中的指针必须可以转换为T*
  p = q	p 和 q都是shared_ptr，所保存的指针必须可以相互转换 递减p的引用计数，递增q的引用计数
  p.use_count()	返回与p共享对象的智能指针数量 比较慢，用于调试
  p.unique()	若p.use_count() 为1，返回true，否则false

  定义和改变shared_ptr
  shared_ptr<T> p(q)	p管理内置指针q指向的对象，且q必须指向new分配的内存，还能转换为T*类型
  shared_ptr<T> p(u)	p从unique_ptr u接管对象的所有权 将u置空
  shared_ptr<T> p（q,d）	p接管内置指针q指向的对象的所有权,q必须能转换为T*类型 p使用可调用对象d代替delete
  shared_ptr<T> p（p2,d）	p是shared_ptr p2的拷贝，p使用可调用对象d代替delete
  p.reset() p.reset(q) p.reset(q,d)	若p是唯一指向对象的shared_ptr,reset会释放p的对象 若传递内置指针q，则令p指向q，否则将p置空 若还传递d，使用可调用对象d代替delete

• 所有权

  • 与unique_ptr的所有权不同，shared_ptr的所有权可以被安全共享。因为它的内部使用引用计数

• 特性

  1. 当引用计数减少到 0，shared_ptr会自动调用 delete 释放内存
  2. shared_ptr的实现机制是在拷⻉构造时使⽤同⼀份引⽤计数
  3. 当对象不再被使用，shared_ptr会自动调用 delete 释放内存
  4. shared_ptr可以在任何场合替代内置指针，而不用担心资源回收的问题

• 注意事项

  1. 引用计数的存储和管理都是成本，不如unique_ptr

  2. 引用计数的变动非常复杂，很难知道其真正释放资源的时机。因此，对象的析构函数不要有非常复杂、严重阻塞的操作

  3. 无法解决循环引用问题

  4. 不建议在函数的参数使用shared_ptr，因为成本高

  5. 同⼀个shared_ptr被多个线程“读”是安全的

  6. 同⼀个shared_ptr被多个线程“写”是不安全的

     在多个线程中同时对⼀个shared_ptr循环执⾏两遍swap。 shared_ptr的swap函数的作⽤就是和另外⼀个shared_ptr交换引⽤对象和引⽤计数，是写操作。执⾏两遍swap之后, shared_ptr引⽤的对象的值应该不变

  7. 共享引⽤计数的不同的shared_ptr被多个线程”写“ 是安全的

weak_ptr

• 操作

  weak_ptr
  weak_ptr<T> w	空weak_ptr可以指向类型为T的对象
  weak_ptr<T> w(sp)	w与shared_ptr sp指向相同对象 T必须能转换为sp指向的类型
  w = p	p可以是shared_ptr/weak_ptr 赋值后w 和 p共享对象
  w.reset()	将w置空
  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false
  w.lock()	若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

• 什么是wake_ptr?

  • wake_ptr是一种不控制所指对象生存期的智能指针，指向一个由shared_ptr管理的对象

• 为什么使用wake_ptr?

  • 解决shared_ptr存在的循环引用问题

    循环引用：

    class Node final
    { 
    public: 
    	using this_type= Node; 
    	using shared_type = std::shared_ptr<this_type>;
    public: 
        shared_type next;	// 使用智能指针来指向下一个节点
    };
    auto n1 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针 
    auto n2 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针 
    assert(n1.use_count() == 1);// 引用计数为1
    assert(n2.use_count() == 1); 
    n1->next = n2;	// 两个节点互指，形成了循环引用
    n2->next = n1; 
    assert(n1.use_count() == 2);	// 引用计数为2
    assert(n2.use_count() == 2);    // 无法减到0，无法销毁，导致内存泄漏
    

    解决：

    将shared_ptr改成weak_ptr

    class Node final
    { 
    public: 
    	using this_type= Node; 
    	using shared_type = std::weak_ptr<this_type>;
    public: 
        shared_type next;	// 使用智能指针来指向下一个节点
    };
    //...
    if (!n1->next.expired()) 	// 检查指针是否有效 
    {
    	auto ptr = n1->next.lock(); // lock()获取shared_ptr
        assert(ptr == n2);
    }
    

• 注意事项

  1. 将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数
  2. 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weak_ptr指向对象
  3. 创建一个weak_ptr时，需要用shared_ptr初始化
  4. 由于对象可能不存在，不能使用weak_ptr直接访问对象，而是调用lock()

reference

Smart pointers (Modern C++) | Microsoft Learn

罗剑锋的 C++ 实战笔记 (geekbang.org)

C++ Primer 中文版（第 5 版） (豆瓣) (douban.com)

知识星球 | 深度连接铁杆粉丝，运营高品质社群，知识变现的工具 (zsxq.com)