C/C++ - 内存管理(C++)

堆栈

• C++中的栈和堆是用于存储变量和对象​​的两个主要内存区域。
• 栈是一种自动分配和释放内存的区域，用于存储局部变量和函数调用的上下文。栈上的内存分配和释放是自动进行的，无需手动管理。
• 堆是动态分配内存的区域，用于存储动态创建的对象和数据结构。
• 堆上的内存分配和释放需要手动进行，通过使用 new / malloc​​ 和 delete / free​​ 运算符或者使用智能指针等机制。

• 堆(Heap)

  • 堆是在程序运行时动态分配内存的区域，用于存储动态创建的对象和数据结构。

  • 在堆上分配的内存需要手动进行管理，通过使用 new​​​ 和 delete​​​ 运算符或者智能指针​​等机制进行内存的分配和释放。

  • 堆上的内存可以在任何时候进行分配和释放，而不受作用域的限制。

    int* ptr = new int;  // 动态分配一个整型内存块
    *ptr = 5;
    delete ptr;  // 释放内存
    

• 栈(tack)

  • 栈是基于线程而言的，每条线程都有属于自己的栈区。

  • 栈是一种自动分配和释放内存的区域，用于存储局部变量和函数调用的上下文。

  • 栈上的内存分配和释放是自动进行的，无需手动管理。

  • 栈上的内存分配和释放遵循“先进后出”的原则，即最后进入栈的变量最先离开。

    void foo() 
    {
        int x = 5;  // 在栈上分配整型变量
        // ...
    }  // 函数结束，栈上的变量自动释放
    

• 栈上分配的内存特点

  • 栈上分配的内存空间相对较小，受限于编译器和操作系统的设置。通常在几兆字节到几十兆字节之间。
  • 栈上的内存分配和释放速度较快，仅涉及移动栈指针。
  • 栈上的内存分配是按照严格的顺序进行的，无法随机访问。

• 堆和栈的比较

  • 堆和栈都是用于存储数据的内存区域，但它们有不同的特点和用途。
  • 堆适用于动态分配内存，可以在任何时候进行分配和释放，适用于需要灵活管理内存的情况。
  • 栈适用于自动分配和释放内存，适用于局部变量和函数调用的上下文。

内存

• new

  • 动态分配单个对象

    • 使用new​​​​运算符可以在堆上动态分配单个对象的内存，并返回指向该内存的指针。

    • 语法：new 类名;​​​​ 或 new 类名(参数);​​​​

      int* ptr = new int;  // 动态分配一个整型对象
      *ptr = 5;  // 对分配的内存进行操作
      delete ptr;  // 释放内存
      

  • 底层执行

    • 

  • 动态分配对象数组：

    • 使用new​​​​运算符可以在堆上动态分配对象数组的内存，并返回指向该内存的指针。

    • 语法：new 类名[数组大小];​​​​

      int* arr = new int[5];  // 动态分配一个包含5个整型元素的数组
      for (int i = 0; i < 5; ++i) 
      {
          arr[i] = i;
      }
      delete[] arr;  // 释放内存
      

• delete

  • 释放单个对象内存：

    • 使用delete​​运算符可以释放通过new​​运算符分配的单个对象的内存。

    • 语法：delete 指针;​​

      int* ptr = new int;  // 动态分配一个整型对象
      *ptr = 5;
      delete ptr;  // 释放内存
      

  • 释放对象数组内存：

    • 使用delete[]​​运算符可以释放通过new​​运算符分配的对象数组的内存。

    • 语法：delete[] 指针;​​

      #include <iostream>
      
      
      int main()
      {
      	//new    - malloc
      	//delete - free
      
      	//C
      	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
      	if (p1)
      	{
      		free(p1);
      		p1 = NULL;
      	}
      
      	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
      	if (p2)
      	{
      		free(p2);
      		p2 = NULL;
      	}
      
      	//CPP
      	int* p3 = new int;
      	if (p3)
      	{
      		delete p3;
      		p3 = NULL;
      	}
      
      	int* p4 = new int(10);
      	if (p4)
      	{
      		delete p4;
      		p4 = NULL;
      	}
      
      	int* p5 = new int[10];
      	if (p5)
      	{
      		delete[] p5;
      		p5 = NULL;
      	}
      
      	return 0;
      }
      

• 内存失败处理

  • 在使用new​​运算符分配内存时，如果内存不足或分配失败，会抛出std::bad_alloc​​异常。因此，需要在代码中适当处理异常情况

  • 可以使用try-catch​​语句块来捕获并处理异常。

    #include <iostream>
    
    
    void Exception_CPP()
    {
    	try
    	{
    		//可能会出现错误的代码
    		long long* p = new long long[0xFFFFFFF];
    		delete[] p;
    	}
    	catch (const std::exception& Error)
    	{
    		//出现异常捕获处理异常
    		std::cout << "Exception ->" << Error.what() << std::endl;
    	}
    
    }
    
    int main()
    {
    	Exception_CPP();
    
    	return 0;
    }
    

智能指针

• 在C++中，智能指针是一种用于管理动态分配的内存资源的工具。它们以对象的形式封装了原始指针，并提供了自动化的内存管理和资源释放，从而减少内存泄漏和悬挂指针等问题。
• 智能指针主要有两种类型：shared_ptr​​和unique_ptr​​。

• ​shared_ptr

  • ​shared_ptr​​是一种引用计数智能指针，用于多个指针共享同一个对象。它会跟踪有多少个shared_ptr​​指向同一块内存，并在不再需要时自动释放该内存。

  • 创建

    • std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
      

  • 引用计数

    • std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);
      std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 引用计数递增
      
      std::cout << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出2，引用计数为2
      

  • 解引用

    • std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
      std::cout << *ptr << std::endl; // 输出42
      

  • 重置指针

    • std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
      ptr.reset(); // 释放资源，引用计数减少
      
      if (ptr == nullptr) {
          std::cout << "智能指针为空" << std::endl;
      }
      

• ​​unique_ptr

  • ​​unique_ptr​​是一种独占式智能指针，用于唯一地拥有一个对象。它提供了对动态分配的内存的所有权，并在不再需要时自动释放该内存。

  • 创建

    • std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
      

  • ​​移动语义​

    • std::unique_ptr<int> ptr1 = std::make_unique<int>(42);
      std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 移动语义，ptr1不再拥有资源
      
      if (ptr1 == nullptr) 
      {
          std::cout << "ptr1不再拥有资源" << std::endl;
      }
      

  • 解引用

    • std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
      std::cout << *ptr << std::endl; // 输出42
      

  • 释放资源

    • std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
      ptr.release(); // 释放资源，但不销毁指针
      
      if (ptr == nullptr) 
      {
          std::cout << "unique_ptr已释放资源" << std::endl;
      }