C++内存

动态内存、动态内存

• 动态内存调配好后，程序运行过程中始终存在不会被开释，且一旦调配好，其内存大小就固定下来不能扭转，在编译和链接的阶段就会调配好。
• 动态内存是程序运行过程中，依据程序的运行须要调配和开释，其大小可变。

堆、栈

堆和栈都是动态分配的，区别有两点：

• 栈是由编译器调配与开释；堆是程序通过调用malloc或new调配，调用free或delete开释。
• 栈是线性构造；堆是链表构造。

存储场景

• 动态内存用来保留部分static对象、类static数据成员以及定义在任何函数之外的变量。
• 栈内存用来保留定义在函数内的非static对象，存储在栈上，函数退出时，其占用内存被发出。

调配在动态内存或栈内存中的对象由编译器主动创立和销毁。对于栈对象，仅在其定义的程序块运行时才存在；static对象在应用之前调配，在程序完结时销毁。

• 堆保留通过调用malloc或new失去的内存，不再须要时要显示地调用free或delete来开释

堆内存容许程序员动静地申请所需空间，但也要求他们一旦不须要这些内存资源的时候就偿还他们。

内存相干谬误

在程序运行的过程中，经常出现段谬误、内存继续增大等因为显式内存治理导致的问题，次要演绎为以下几点：

• 野指针：一些内存单元曾经开释，但之前指向它的指针还在应用。
• 反复开释：程序试图开释曾经被开释过的内存单元。
• 内存透露：没有开释不再应用的内存单元。
• 缓冲区溢出：数组越界。
• 不配对的new[]/delete[]

针对上述问题中的1～3，C++规范中提供了智能指针来解决。

智能指针

智能指针是基于RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制实现的类（模板），具备指针的行为（重载了operator*与operator->操作符）。当对象创立的时候，进行初始化；来到其作用域后，通过主动调用析构函数开释资源。

RAII (Resource Acquisition Is Initialization，资源获取就是初始化)，是C++语言的一种治理资源、防止透露的习用法。C++规范保障任何状况下，已结构的对象最终会销毁，即它的析构函数最终会被调用。简略的说，RAII 的做法是应用一个对象，在其结构时获取资源，在对象生命期管制对资源的拜访使之始终保持无效，最初在对象析构的时候开释资源。

C++11新规范提供的两种智能指针区别在于治理底层指针的形式：

• shared_ptr 容许多个指针指向同一个对象；
• unique_ptr 独占所指向的对象；
  规范库还定义了一个名为weak_ptr的随同类，它是一种弱援用，指向shared_ptr所治理的对象。

头文件：<memory>
命名空间为：std

unique_ptr

unique_ptr”惟一“领有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有挪动语义std::move()来实现）。

• unique_ptr指针自身的生命周期：从unique_ptr指针创立时开始，直到来到作用域。来到作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁（默认应用delete操作符，用户可指定其余操作）。
  unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，能够扭转智能指针所指对象，如创立智能指针时通过构造函数指定、通过reset办法从新指定、通过release办法开释所有权、通过挪动语义转移所有权。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
 
using namespace std;
 
struct Foo {
    Foo() {}
    ~Foo() {}
    void Print() { cout << "Foo" << endl; }
};
 
int main() {
    Foo* p1 = new Foo();
    unique_ptr<Foo> up1;       // up1==nullptr
//  up1 = p1;                  // 编译谬误，不反对这样赋值
    up1.reset(p1);             // 替换治理对象，并开释之前治理的对象
    p1 = nullptr;
 
//  unique_ptr<Foo> up2(up1);  // 编译谬误，不反对这样结构
    unique_ptr<Foo> up2(std::move(up1)); // up1所有权转移到up2。up1==nullptr
 
    up1.swap(up2);             // up2与up1治理对象的指针替换。 up2==nullptr
 
    if (up1) {                 // up1 != nullptr 
        up1->Print();          // unique_ptr重载了->
        (*up1).Print();       // unique_ptr重载了* 
    }
//  up2->Print();              // 谬误 up2 == nullptr, 必须先判断再调用
 
    p1 = up1.get();            // get() 返回所治理对象的指针, up1持续持有其管理权
    p1 = up1.release();        // release() 返回治理对象的指针，并开释管理权，up1==nullptr
    delete p1;
 
    unique_ptr<Foo> up3(new Foo());
    up3.reset();                // 显示开释开释治理对象的内存，也能够这样做：up = nullptr;
    vector<unique_ptr<Foo>> v;
    unique_ptr<Foo> up4(new Foo());
//  v.push_back(up4);            // 编译谬误，不反对这样拷贝
    v.push_back(std::move(up4);  // 只能up4放弃对其所有权，通过std::move()将所有权转移到容器中
 
    return 0;
}

shared_ptr

shared_ptr 基于“援用计数”模型实现, 多个shared_ptr对象能够领有同一个动静对象，并保护了一个共享的援用计数。当最初一个指向该对象的shared_ptr被销毁或者reset时，会主动开释其所指的对象，回收动静资源。
销毁该对象时，应用默认的delete/delete[]表达式，或者是在结构 shared_ptr 时传入的自定义删除器（deleter），以实现个性化的资源开释动作。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
#include <assert.h>
 
using namespace std;
 
struct Foo {
    int v;
};
 
int main() {
    shared_ptr<Foo> sp1(new Foo{10});
    cout << sp1.unique() << endl;    // 1 以后shared_ptr惟一领有Foo管理权时，返回true，否则返回false
    cout << sp1.use_count() << endl; // 1 返回以后对象的援用计数
 
    shared_ptr<Foo> sp2(sp1);
    assert(sp1->v == sp2->v);        // sp1与sp2独特领有Foo对象
    cout << sp2.unique() << endl;    // 0 false
    cout << sp2.use_count() << endl; // 2
   
    sp1.reset();                     // 开释对Foo的管理权，同时援用计数减1
    assert(sp1 == nullptr);          // sp1 为空
    cout << sp1.unique() << endl;    // 0 不会抛出异样
    cout << sp1.use_count() << endl; // 0 不会抛出异样
    cout << sp1.get() << endl;       // 0 不会跑出异样
//  cout << sp1->v << endl;          // 执行谬误 sp1为nullptr时，operator* 和 operator-> 都会导致未定义行为
 
    cout << sp2.unique() << endl;    // 1 true
    sp1.swap(sp2);                   // sp1与sp2替换管理权,及援用计数
    assert(sp2 == nullptr);
    cout << (*sp1).v << endl;        // 10 同sp1->v雷同
 
    vector<shared_ptr<Foo>> vec;
    vec.push_back(sp1);
    cout << sp1.use_count() << endl; // 2
 
    return 0;
// vector先析构，外面存储的对象援用计数减1，但不为0，不开释对象
// sp1后析构，援用计数减1，变为0，开释所指对象的内存资源
}

• shared_ptr造成循环援用

#include <iostream>
#include <memory>
 
using namespace std;
struct FooB;
struct FooA;
typedef std::shared_ptr<FooB> FooBSP;
typedef std::shared_ptr<FooA>    FooASP;
 
struct FooA {
    ~FooA() { cout<< "FooA distroyed" << endl; }
    FooBSP sptr_foob;
};
struct FooB {
    ~FooB() { cout<< "FooB distroyed" << endl; }
    FooASP sptr_fooa;
};
 
int main() {
    {
        FooBSP  FooB(new FooB());
        FooASP  FooA(new FooA());
        FooB->sptr_fooa = FooA;
        FooA->sptr_foob = FooB;
    } // FooB 和 FooA，互相援用，来到作用域时援用计数都为1，造成内存泄露
 
    return 0;
}

weak_ptr

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，它只可能通过shared_ptr或者weak_ptr来结构。
weak_ptr是作为shared_ptr的”观察者“，并不批改shared_ptr所治理对象的援用计数。当shared_ptr销毁时，weak_ptr会被设置为空，所以应用weak_ptr比底层指针的益处在于可能晓得所指对象是否无效。
weak_ptr不具备一般指针的行为，因为没有重载operator*和->。所以当weak_ptr察看的对象存在，并且须要批改其内容时，须要晋升为shared_ptr来操作。

#include <iostream>
#include <memory>
 
using namespace std;
 
struct Foo{
    int v;
};
typedef std::shared_ptr<Foo> FooSP;
typedef std::weak_ptr<Foo>   FooWP;
 
void update(FooWP &wp) {
    if (!wp.expired()) {    // 查看被治理对象是否被删除，true 删除，false 没被删除；比use_count()==1要快
        FooSP sp = wp.lock();    // 晋升为强援用
        if (sp != nullptr) {    // 若晋升失败，shared_ptr 为 nullptr，此例子不会失败
            sp->v *= 2;
            cout << sp.use_count() << endl; // 此时援用计数为2
        }
    } // sp删除，援用计数减1
    wp.reset(); // 显示开释所有权，或者等来到作用域会主动开释
} 
 
int main(void){
    FooSP sp(new Foo{10});
    update(sp);  // 对sp进行操作
    cout << sp->v << endl;  // 20
    return 0;
}