第十二章 动态内存
- 目前为止，所使用的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，在程序结束时销毁。局部自动对象在进入其定义所在的程序块时被创建，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。
- 标准库定义了两个智能指针类型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。
- 静态内存用来保存局部static对象、类static对象以及定义在任何函数之外的变量。栈内存用来保存定义在函数内的非static对象。分配在静态内存或栈内存中的对象由编译器自动创建和销毁。
- 每个程序还拥有一个内存池，即堆。程序用堆来存储动态分配的对象 -- 即那些在程序运行时分配的对象。
一、动态内存与智能指针
- 动态内存管理:
- new：在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针。
- delete：接受一个动态对象的指针，销毁该对象，并释放与之关联的内存。
- 智能指针：
- 管理动态对象。
- 行为类似常规指针。重要的区别是它负责自动释放所指向的对象。智能指针也是模板。
- 智能指针的区别：都定义在 头文件memory 中，但管理底层指针的方式不同。
- 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。
- weak_ptr的伴随类：它是一种弱引用，指向shared_ptr所管理的对象。
1. shared_ptr类
- shared_ptr 和 unique_ptr 都支持的操作：
| 操作 |
解释 |
shared_ptr sp
unique_ptr up |
空智能指针，可以指向类型是T的对象 |
| p |
将p用作一个条件判断，若p指向一个对象，则为true |
| *p |
解引用p，获得它指向的对象。 |
| p->mem |
等价于(*p).mem。 |
| p.get() |
返回p中保存的指针，要小心使用，若智能指针释放了对象，返回的指针所指向的对象也就消失了。 |
| swap(p, q) p.swap(q) |
交换p和q中的指针。 |
| 操作 |
解释 |
| make_shared(args) |
返回一个shared_ptr，指向一个动态分配的类型为T的对象。使用args初始化此对象。 |
| shared_ptrp(q) |
p是shared_ptr q的拷贝；此操作会递增q中的计数器。q中的指针必须能转换为T*。 |
| p = q |
p和q都是shared_ptr，所保存的指针必须能互相转换。此操作会递减p的引用计数，递增q的引用计数；若p的引用计数变为0，则将其管理的原内存释放。 |
| p.unique() |
若p.use_count()是1，返回true；否则返回false。 |
| p.use_count() |
返回与p共享对象的智能指针数量；可能很慢，主要用于调试。 |
- 最安全的分配和使用动态内存的方法是调用一个名为 mark_shared 的标准库函数。
// 指向一个值为42的int的shared_ptr
shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>(42);
// p4指向一个值为"9999999999"的string
shared_ptr<string> p4 = make_shared<string>(10, '9');
// p5指向一个值初始化的int，即为0
shared_ptr<int> p5 = make_shared<int>();
auto p = nake_shared<int>(42); // p指向的对象只有p一个引用者
auto q(p); // p和q都指向相同对象，此对象有两个引用者
- 可以认为每个shared_ptr都有一个关联的计数器，通常被称为引用计数。当拷贝一个shared_ptr时，计数器就会增加。当shared_ptr赋予一个新值或者shared_ptr被销毁时，计数器就会减少。当计数器变为0时，它就会自动释放自己所管理的对象。
auto r = make_shared<int>(42);
r = q; // r原来指向的对象已经没有引用者，会自动释放
- 到底是用一个计数器还是其他数据结构来记录有多少指针共享对象，完全由标准库的具体实现来定义。
- shared_ptr的析构函数会递减它所指向的对象的引用计数。如果引用计数变为0，shared_ptr的析构函数就会销毁对象，并释放它占用的内存。
- 如果将shared_ptr存放于一个容器中，而后不再需要全部对象，要记得erase那些不再需要的元素。
- 使用动态内存的三种原因：
- 程序不知道自己需要使用多少对象。比如容器类。
- 程序不知道所需要对象的准确类型。
- 程序需要在多个对象间共享数据。
2. 直接管理内存
- 用new动态分配和初始化对象。
- new无法为分配的对象命名（因为自由空间分配的内存是无名的），因此是返回一个指向该对象的指针。
- int *pi = new int(123);
- 一旦内存耗尽，会抛出类型是bad_alloc的异常。
- 用delete将动态内存归还给系统。
- 接受一个指针，指向要释放的对象。
- delete后的指针称为空悬指针（dangling pointer），即指向一块曾经保存数据对象但现在已经无效的内存的指针。
- 使用new和delete管理动态内存存在三个常见问题：
- 1.忘记delete内存。
- 2.使用已经释放掉的对象。
- 3.同一块内存释放两次。
- 由内置指针(而不是智能指针)管理的动态内存在被显式释放前一直都会存在。坚持只使用智能指针可以避免上述所有问题。
3. shared_ptr和new结合使用
| 操作 |
解释 |
| shared_ptr p(q) |
p管理内置指针q所指向的对象；q必须指向new分配的内存，且能够转换为T*类型 |
| shared_ptr p(u) |
p从unique_ptr u那里接管了对象的所有权；将u置为空 |
| shared_ptr p(q, d) |
p接管了内置指针q所指向的对象的所有权。q必须能转换为T*类型。p将使用可调用对象d来代替delete |
| shared_ptr p(p2, d) |
p是shared_ptr p2的拷贝，唯一的区别是p将可调用对象d来代替delete |
| p.reset() |
若p是唯一指向其对象的shared_ptr，reset会释放此对象。若传递了可选的参数内置指针q，会令p指向q，否则会将p置空。若还传递了参数d，则会调用d而不是delete来释放q |
| p.reset(q) |
同上 |
| p.reset(q, d) |
同上 |
- 不要混合使用普通指针和智能指针。使用一个内置指针来访问一个智能指针所负责的对象是很危险的，因为无法知道对象何时会被销毁。
- get用来将指针的访问权限传递给代码，只有在确定代码不会delete指针的情况下，才能使用get。特别是，永远不要用get初始化另一个智能指针或者为另一个智能指针赋值。
4. 智能指针和异常
- 如果使用智能指针，即使程序块由于异常过早结束，智能指针类也能确保在内存不需要的时候将其释放。
- 智能指针陷阱：
- 不用相同的内置指针初始化（或reset）多个智能指针
- 不delete get()返回的指针。
- 如果你使用get()返回的指针，记得当最后一个对应的智能指针销毁后，你的指针就无效了。
- 如果你使用智能指针管理的资源不是new分配的内存，记住传递给它一个删除器。
5. unique_ptr
- 某一个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定的对象。
- 不支持拷贝或者赋值操作。
- 向后兼容：auto_ptr：老版本，具有unique_ptr的部分特性。特别是，不能在容器中保存auto_ptr，也不能从函数返回auto_ptr。
- unique_ptr操作:
| 操作 |
解释 |
| unique_ptr u1 |
空unique_ptr，可以指向类型是T的对象。u1会使用delete来是释放它的指针 |
| unique_ptr<T, D> u2 |
u2会使用一个类型为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置为空 |
| u.release() |
u放弃对指针的控制权，返回指针，并将u置空 |
| u.reset() |
释放u指向的对象 |
| u.reset(q) |
令u指向q指向的对象 |
| u.reset(nullptr) |
将u置空 |
6. weak_ptr
- weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针。
- 指向一个由shared_ptr管理的对象，不改变shared_ptr的引用计数。
- 一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放，不管有没有weak_ptr指向该对象。
- weak_ptr操作：
| 操作 |
解释 |
| weak_ptr w |
空weak_ptr可以指向类型为T的对象 |
| weak_ptr w(sp) |
与shared_ptr指向相同对象的weak_ptr。T必须能转换为sp指向的类型 |
| w = p |
p可以是shared_ptr或一个weak_ptr。赋值后w和p共享对象 |
| w.reset() |
将w置为空 |
| 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，否则返回false |
| w.lock() |
如果expired为true，则返回一个空shared_ptr；否则返回一个指向w的对象的shared_ptr |
二、动态数组
- 大多数应用应该使用标准库容器而不是动态分配的数组，使用容器更加简单、更不容器出现内存管理错误并且有更好的性能。
1. new和数组
- new一个动态数组：
- 类型名之后加一对方括号，指明分配的对象数目（必须是整型，不必是常量）。
- 返回指向第一个对象的指针。
- int *p = new int[size];
- delete一个动态数组：
- unique_ptr和数组：
- 指向数组的unique_ptr不支持成员访问运算符（点和箭头）。
| 操作 |
解释 |
| unique_ptr<T[]> u |
u可以指向一个动态分配的数组，整数元素类型为T |
| unique_ptr<T[]> u(p) |
u指向内置指针p所指向的动态分配的数组。p必须能转换为类型T* |
| u[i] |
返回u拥有的数组中位置i处的对象。u必须指向一个数组 |
2. allocator类
- 标准库allocator类定义在 头文件memory 中，帮助我们将内存分配和对象构造分离开。
- 分配的是原始的、未构造的内存。
- allocator是一个模板。
- allocator alloc;
- 在给定目的位置创建元素，而不是由系统分配内存给他们。
- 标准库allocator类及其算法：
| 操作 |
解释 |
| allocator a |
定义了一个名为a的allocator对象，它可以为类型为T的对象分配内存 |
| a.allocate(n) |
分配一段原始的、未构造的内存，保存n个类型为T的对象 |
| a.deallocate(p, n) |
释放从T*指针p中地址开始的内存，这块内存保存了n个类型为T的对象；p必须是一个先前由allocate返回的指针。且n必须是p创建时所要求的大小。在调用deallocate之前，用户必须对每个在这块内存中创建的对象调用destroy |
| a.construct(p, args) |
p必须是一个类型是T*的指针，指向一块原始内存；args被传递给类型为T的构造函数，用来在p指向的内存中构造一个对象 |
| a.destroy(p) |
p为T*类型的指针，此算法对p指向的对象执行析构函数 |
| 操作 |
解释 |
| uninitialized_copy(b, e, b2) |
从迭代器b和e给定的输入范围中拷贝元素到迭代器b2指定的未构造的原始内存中。b2指向的内存必须足够大，能够容纳输入序列中元素的拷贝 |
| uninitialized_copy_n(b, n, b2) |
从迭代器b指向的元素开始，拷贝n个元素到b2开始的内存中 |
| uninitialized_fill(b, e, t) |
在迭代器b和e执行的原始内存范围中创建对象，对象的值均为t的拷贝 |
| uninitialized_fill_n(b, n, t) |
从迭代器b指向的内存地址开始创建n个对象。b必须指向足够大的未构造的原始内存，能够容纳给定数量的对象 |
三、使用标准库：文本查询程序
需求描述：允许用户在一个给定文件中查询单词。查询结果是单词在文件中出现的次数及其所在行的列表。如果一个单词在一行中出现多次，此行只列出一次。行会按照升序输出。
任务拆解：
- 当程序读取输入文件时，它必须记住单词出的现每一行。因此，程序需要逐行读取输入文件，并将每一行分解为独立的单词。
- 当程序生成输出时：
- 它必须能提取每个单词所关联的行号
- 行号必须按升序出现且无重复
- 它必须能打印给定行号中的文本
- code