【C++】动态内存（二）智能指针

由于new和delete会造成一定程度的内存泄漏问题，以及内存所有权不清晰，因此引入自动销毁相应内存空间的智能指针。
智能指针是抽象数据类型，本身具有析构函数，因此调用之后会自动调用析构函数，在析构函数中会自动调用delete来释放相应内存空间，因此不用手动显式的调用delete。

【C++】动态内存（二）智能指针

• 一、shared_ptr 基于引用计数的共享内存解决方案
• 二、unique_ptr 独占内存的解决方案
• 三、weak_ptr 防止循环引用而引入的智能指针
• 四、动态内存的其他相关问题
• • 1.使用allocator来分配内存
  • 2.使用malloc/free来管理内存
  • 3.aligned_alloc 分配对齐内存

一、shared_ptr 基于引用计数的共享内存解决方案

1.基本用法：

std::shared_ptr<int> x(new int(4));

2.get()用法：
shared_ptr是一个类模板：std::shared_ptr,其中的模板参数是T。
get()用法返回的是一个T*。
所以shared_ptr<int>返回的是一个int*类型的指针。
其实意思是这样：shared_ptr其实并不是一个单纯的指针，他是一个类模板，里面包含了指向保存数据的内存的指针，也包含了指向引用计数的指针，还包含了很多方法（也就是函数），而get方法就是返回一个什么其他东西都没有的，裸指针，这个指针只是指向那个保存数据的内存地址。

3.reset()用法：
可以将已经赋值的shared_ptr指针的值改变为其他值。

std::shared_ptr<int> x(new int(4));
x.reset(new int(4));

也可将其赋值为nullptr，此时，下面两句是等价的。

x.reset();//x.reset((int*)nullptr);

4.指定内存回收逻辑
当我们想在shared_ptr销毁之前做一些其他事情的时候，就不能使用隐式的delete析构了，因为我们不知道她多会儿会调用该隐式析构，故而不知道何时该做我们想做的析构之前的其他事情，这时就需要显式的自己写一个函数去调用。
如下：

void fun2(int *ptr) {
	std::cout << "call deleter fun2" << std::endl;
	delete ptr;
}
int main()
{std::shared_ptr<int> ptr(new int(4),fun2);}

这样写，那么当shared_ptr的ptr指针的使用计数为0的时候，准备析构的时候，他不会调用默认的析构函数，而是会调用fun2函数，把自己这个地址传入给fun2函数，并且执行fun2中的代码之后由fun2中我们写的显示的析构来删除和销毁。
5.make_shared

std::shared_ptr<int> ptr(new int(3));
std::shared_ptr<int> x = std::make_shared<int>(3);

下面这句也可以简化为：

auto x = std::make_shared<int>(3);

上面三句的效果是一样的。但是推荐使用make_shared，而不推荐使用new。
原因：shared_ptr一共是需要维护两个指针的，一个指针指向保存数据的内存地址，一个指针是用来进行计数的，也就是引用计数，引用计数为0的时候就可以执行析构从而释放该空间了。
而使用new的时候，两个指针指向的地址可能会相隔很远，在计算机运行时偶尔会产生错误。
而使用make_shared的时候会有一个自带的优化，让shared_ptr的两个指针，即一个指向保存数据的内存地址的指针，一个指向引用计数的内存的指针，两个的内存分配的近一点，那么两个指针指的位置就会近一点，计算机相对不那么容易出现运行错误。
6.支持数组（ C++17 支持 shared_ptr<T[]> ； C++20 支持make_shared 分配数组）
如下的代码是不合理的：

std::shared_ptr<int> x = new int[6];

因为shared_ptr的隐式析构函数是delete ptr，是销毁单独的指针的，但是上面的代码右边明显是构造了一个数组，而数组对应的销毁方式应该是delete []。所以上式是不可以的，是危险的。
解决方法也是有的，在c++17中支持了：

std::shared_ptr<int[]> x = new int[6];

c++17之后可以像左边一样这样写的时候，shared_ptr在默认析构的时候就会知道这是一个数组，而去调用delete []。，就没有危险了。

而c++20之后又支持了：

auto x = std::make_shared<int[5]>();

在右边make_shared可以分配数组了，左边使用的是auto，其实翻译过来在编译器看来就是这样的：

std::shared_ptr<int[]> x= std::make_shared<int[5]>();

这个也是可以默认使用delete []去析构的，也是安全的，完备的。

7.注意： shared_ptr 管理的对象不要调用 delete 销毁
shared_ptr会自动销毁，一定不要定义了之后再手动的写一个显式的delete在后面，这样会造成多次销毁一个内存空间，会造成报错。

二、unique_ptr 独占内存的解决方案

unique_ptr不支持复制，但可以移动
shared_ptr是共享内存，是可以支持多个指针共享一块内存的，也就是支持如下的操作：

std::shared_ptr<int> x(new int(4));
std::shared_ptr<int> y(x);

第二句就是让y指向x所指向的地址，也就是两个指针指向同一块内存。

但是unique_ptr是独占内存的方式，因此不支持如上第二句的操作。
但是提供了另外一种操作:移动。如下：

std::unique_ptr<int> x(new int(3));
std::unique_ptr<int> y = std::move(x);

第二行的意思是，把原来x所指向的内存空间的地址赋值给y，让y指向这里，然后把x指针清空，赋值为nullptr。所以该操作之后仍然是一块内存空间仅由一个指针所指向，仍然是内存独占。
之后运行打印两个指针所指向的内存地址，可以看到x结果为0，y的结果是之前x所指向的地址。
由于有了复制操作，因此，unique_ptr也可以作为函数参数被传入或者传出，传入以及传出的过程都不是执行赋值的过程，因为这是不允许的，而会执行移动的过程。如下，是被允许的：

std::unique_ptr<int> fun3()
{
	std::unique_ptr<int> res(new int(3));
	return res;
}
int main()
{
	std::unique_ptr<int> x=fun();
}

其中main函数中的左右其实执行的就是移动操作来实现的把右边函数返回的指针所指的地址给到左边的指针，而不是使用的赋值操作。

三、weak_ptr 防止循环引用而引入的智能指针

四、动态内存的其他相关问题

1.使用allocator来分配内存

如果使用new和delete的话，分配内存以及在这块内存上构造对象是直接都会执行的，分配之后就直接赋值了。
而如果像单独的先进行分配内存，则要用到allocator。如下：

std::allocator<int> al;
int* ptr=al.allocate(3);

上面的语句指的是，先构造了一个allocator类模板的，以int数据类型为参数的对象，然后使用分配了可以存放三个int 的空间，把这个空间的首地址赋值给int类型的指针ptr。

如果想删除已分配的内存，则：

al.deallocate(ptrr, 3);

2.使用malloc/free来管理内存

melloc/free其实是c语言中用来分配内存的工具，c++中予以兼容。

```cpp

```c
#include <stdio.h>   
#include <stdlib.h> 
 
int main(void) 
{
    int *p1 = malloc(4*sizeof(int));  // 足以分配 4 个 int 的数组
    int *p2 = malloc(sizeof(int[4])); // 等价，直接命名数组类型
    int *p3 = malloc(4*sizeof *p3);   // 等价，免去重复类型名
 
    if(p1) {
        for(int n=0; n<4; ++n) // 置入数组
            p1[n] = n*n;
        for(int n=0; n<4; ++n) // 打印出来
            printf("p1[%d] == %d\n", n, p1[n]);
    }
 
    free(p1);
    free(p2);
    free(p3);
}

缺陷：不能分配对齐内存。

3.aligned_alloc 分配对齐内存

也是c语言中的语法，同样使用free释放已分配的内存。因为c语言标准中一开始只有malloc，但是发现malloc没有办法分配对齐内存。
所以引入了aligned_alloc来分配对齐内存。

但是不建议使用aligned_alloc和malloc/free，而建议使用allocator。 因为allocator中还有其他很多功能。