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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 <memory>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 <memory>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 <memory>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。

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