C++内存管理基础知识

C++ 内存管理

• C++内存管理是一个重要的主题，因为它涉及到程序运行时资源的分配和释放。它可以分为三种类型：静态内存、栈内存和堆内存。

静态内存

静态内存（Static Memory）：静态内存用于存储全局变量、静态变量和常量。这些变量在程序启动时分配内存，在程序结束时释放。静态内存分配的大小是固定的，不能在运行时改变。

示例：

// 全局变量
int global_var;

// 静态变量
void func() {
    static int static_var;
}

// 常量
const int const_var = 42;

栈内存

栈内存（Stack Memory）：主要用于存储局部变量和函数调用时的信息。

• 当一个函数被调用时，栈空间被分配，函数执行完毕后，分配的栈空间被释放。
• 栈内存分配和释放速度快，但空间有限。在C++中，局部变量默认存储在栈内存中。

堆内存

堆内存（Heap Memory）：主要用于程序在运行时从操作系统动态分配的内存。与栈内存不同，堆内存的分配和释放需要手动进行。这使得程序可以根据需要灵活地分配内存，但也增加了管理复杂性。在C++中，可以使用new和delete操作符在堆内存中分配和释放对象。

new 与 delete

• new ：使用new操作符在堆上分配内存，并返回指向该内存的指针。new会自动调用对象的构造函数。

• delete：delete操作符用于释放内存并调用对象的析构函数。使用new和delete时，需要确保正确匹配它们，以避免内存泄漏。

示例：

int *p = new int;   // 在堆上分配一个整数内存
*p = 42;             // 赋值
delete p;            // 释放内存

动态内存分配和释放的注意事项

• 避免内存泄漏：务必确保为每个使用new分配的内存调用delete进行释放。
• 避免野指针：在释放内存后，将指针设置为nullptr，避免使用已经释放的内存。
• 避免重复释放：确保不要多次释放同一块内存。

智能指针

为了简化内存管理，C++11引入了智能指针，它们可以自动管理内存资源。智能指针在其作用域结束时自动释放内存，降低了内存泄漏的风险。同时智能指针也是一种对象，它的行为类似于指针，但在某种程度上自动管理指向的内存。

• C++11引入了三种类型的智能指针：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。

unique_ptr智能指针

unique_ptr是一种独占所有权的智能指针。它保证同一时间只能有一个unique_ptr指向对象。当unique_ptr离开作用域或被重置时，它会自动删除所指向的对象。

示例：

#include 

unique_ptr<int> uptr(new int(42));

// 转移所有权
unique_ptr<int> uptr2 = move(uptr);

unique_ptr不能通过拷贝构造函数或拷贝赋值来创建，但可以使用move转移所有权。

shared_ptr智能指针

shared_ptr是一种共享所有权的智能指针。它允许多个shared_ptr指向同一个对象。shared_ptr使用引用计数器跟踪指向对象的智能指针数量。当最后一个指向对象的shared_ptr离开作用域或被重置时，对象会被自动删除。

示例：

#include 

shared_ptr<int> sptr1(new int(42));
shared_ptr<int> sptr2 = sptr1;  // 引用计数增加

weak_ptr智能指针

weak_ptr是一种不增加引用计数的智能指针，通常与shared_ptr一起使用。weak_ptr可以观察shared_ptr所指向的对象，但不会增加引用计数。当所有指向该对象的shared_ptr都不再引用对象时，weak_ptr会自动失效。这可以避免循环引用导致的内存泄漏。

示例：

#include 

shared_ptr<int> sptr(new int(42));
weak_ptr<int> wptr(sptr);    // 引用计数不变

if (auto locked = wptr.lock()) {  // 尝试获得一个 shared_ptr
    // 使用 *locked 访问对象
} else {
    // 对象已经被删除
}

• weak_ptr没有提供直接访问所指向对象的方法，需要通过调用lock()方法尝试获取一个shared_ptr。如果lock()成功，说明对象仍然存在，可以使用返回的shared_ptr安全地访问对象。如果lock()失败，说明对象已经被删除。

智能指针的使用可以减轻手动管理内存的负担，降低内存泄漏和悬空指针的风险。在实际开发中，推荐尽量使用智能指针代替裸指针，以提高代码的安全性和健壮性。

总结

• 总结一下，C++内存管理包括静态内存、栈内存和堆内存，涉及到变量的生命周期和内存的分配与释放。
• 通过熟练掌握栈内存、堆内存和静态内存的特点，以及学会使用智能指针，可以编写出更安全、高效的C++代码。在实际项目中，内存管理是编写高质量C++代码的关键要素之一。