第十二章 动态内存

前言

在此之前，我们使用的程序中对象都有着严格定义的生存期：

• 全局对象，在程序启动时分配，在程序结束是销毁。
• 局部自动对象，当进入定义所在程序时创建，在离开块时销毁。
• 局部static对象，在第一次使用前分配，在程序结束时销毁。

显然这存在限制，为此C++支持动态分配对象。动态分配对象的生存期与它们在哪里创建无关，只有当显式地被释放时，这些对象才会被销毁。

动态对象的正确释放被证明时编程中极其容器出错的地方。那么为了更安全释放，标准库定义了两个智能指针来管理动态分配的对象。当一个对象应该被释放时，指向它的智能指针可以确保自动地释放它。

静态内存：局部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：定义在函数内的非static对象

分配在静态或栈内存的对象由编译器自动创建和销毁。除了静态内存和栈内存，每个程序还拥有一个内存池。称为自由空间或堆，程序用堆来存储动态分配（dynamically allocate）的对象——即那些在程序运行时分配的对象。

动态内存和智能指针

在C++中，动态内存的管理通过一对运算符完成：

• new，在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向对象的指针，可以选择对对象初始化
• delete，接受一个动态对象的指针，销毁指针指向对象，并释放与之关联的内存

但是动态内存的使用容易出问题，难以确保在正确时间释放内存，那么就可能出现“内存泄露”、“引用非法指针”等。对此，标准库引入两种智能指针（smart pointer）：

• shared_ptr，允许多个指针指向同一个对象
• unique_ptr，独占所指向的对象

智能指针的行为类似常规指针，区别在于智能指针负责自动释放所指向的对象。上述的两种指针区别在于管理底层指针的方式不同。

同时，标准库还定义了一个weak_ptr的伴随类，其是一个弱引用，指向shared_ptr所管理的对象。三者均定义在memory头文件中。

shared_ptr类

智能指针为模板，在创建时需要提供额外的信息表明指针可以指向的类型。

shard_ptr<string> p_1;
shard_ptr<list<int>> p_2;

make_shared函数

最安全的分配和使用动态内存的方法是调用make_shared标准库函数，此函数在动态内存中分配一个对象并初始化它，返回指向此对象的shared_ptr。

shared_ptr<int> p_3=make_shared<int>(42); // 指向一个值为42的int
shared_ptr<string> p_4=make_shared<string>(2,'9'); // 指向一个值为“99”的string
shared_ptr<int> p_5=make_shared<int>(); // 指向一个值初始化的int

shared_ptr的拷贝和赋值

当进行拷贝或赋值操作时，每个shared_ptr都会记录有多少个其他shared_ptr指向相同的对象：

auto p=make_shared<int>(42); // p指向的对象只有p一个引用者
auto q(P); // p和q指向相同对象，此对象有两个引用者

我们可以认为每个shared_ptr都有一个关联的计数器，通常称其为引用计数（reference count）。无论何时拷贝一个shared_ptr,计数器都会递增。例如，当用一个shared_ptr初始化另一个shared_ptr,或将它作为参数传递给一个函数以及作为函数的返回值时，它所关联的计数器就会递增。当我们给shared_ptr赋予一个新值或是shared_ptr被销毁（例如一个局部的shared_ptr离开其作用域）时，计数器就会递减。

当一个shared_ptr的计数器变为0,它就会自动释放自己所管理的对象：

auto p = make_shared<int>(42); // p指向的int只有一个引用者
p = q; // 给p赋值，令它指向另一个地址
	   // 递增q指向的对象的引用计数
	   // 递减p原来指向的对象的引用计数
	   // p原来指向的对象已经没有引用者，会自动释放