c++动态内存管理（二）

c++动态内存管理（一）https://developer.aliyun.com/article/1437204?spm=a2c6h.13262185.profile.34.5bba685cuSQkDD

5. 自定义内存管理

在 C++ 中，自定义内存管理是指开发者控制内存分配和释放的过程，而不完全依赖于标准的 new 和 delete 操作符或智能指针。这通常涉及到为特定类型的对象创建专用的内存池、使用自定义的分配器或实现特定的内存分配策略。

内存池

内存池是一种内存分配技术，预先分配一大块内存，并从中分配小块内存给对象使用。

优势

• 性能提升：减少了频繁分配和释放内存的开销。
• 碎片化减少：通过预分配大块连续内存，减少了内存碎片化。

适用场景

• 对象频繁创建和销毁：例如，在高性能服务器或游戏引擎中。
• 对象大小相同：适合管理大小固定的对象。

自定义分配器

自定义分配器允许开发者提供自定义的内存分配和释放逻辑。

实现

自定义分配器需要实现分配器的接口，包括分配、释放内存和构造、析构对象的方法。

适用场景

• 特定的性能需求：比如，需要特定对齐的内存分配。
• 特殊的内存管理策略：例如，限制内存使用或跟踪内存使用情况。

替代 new 和 delete

自定义内存管理有时也涉及重载类的 new 和 delete 操作符，以提供特定的内存分配和释放逻辑。

示例

class MyClass {
public:
    void* operator new(size_t size) {
        // 自定义内存分配
    }
    void operator delete(void* pointer) {
        // 自定义内存释放
    }
};

注意事项

• 复杂性和风险：自定义内存管理增加了代码的复杂性，可能引入错误。
• 适当使用：仅在标准内存管理方法不满足需求时考虑使用。
• 调试和维护：自定义内存管理可能使得调试和维护变得更加困难。

总结

自定义内存管理是一种高级技术，它可以提供性能优势和特殊需求的解决方案。然而，它也带来了额外的复杂性和潜在风险。在大多数情况下，推荐使用 C++ 标准库提供的内存管理工具，如智能指针和标准分配器，因为它们提供了更好的安全性和足够的灵活性。自定义内存管理应当谨慎使用，并且只在确实有明确的性能或行为需求时采用。

6. 资源管理和异常安全

在 C++ 中，资源管理和异常安全是两个关键的概念，特别是在处理动态内存、文件句柄、网络连接等资源时。

资源管理

资源管理涉及到获取和释放资源，如动态内存、文件句柄等。在 C++ 中，资源管理通常遵循 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则。

RAII 原则

RAII 是一种编程技术，用于确保资源的获取同时初始化对象（acquisition），资源的释放与对象的生命周期同步（destruction）。

示例

• 智能指针：std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 在析构函数中自动释放所拥有的内存。
• 文件和互斥锁：如 std::fstream 和 std::lock_guard 在析构时释放资源。

优势

• 自动资源管理：避免忘记释放资源，减少内存泄漏和资源泄露的风险。
• 异常安全：即使发生异常，也能保证资源正确释放。

异常安全

异常安全是指代码能够在面对异常时，安全地释放资源并保持程序状态的一致性。

异常安全的级别

• 基本保证：操作可能失败，但不会泄露资源，对象保持在有效状态。
• 强保证：操作要么成功，要么对象状态不变（“事务性”）。
• 无异常保证：保证不抛出异常。

实现技巧

• 作用域保护：使用局部对象管理资源，利用其析构函数来释放资源。
• 异常传播：允许异常从函数传播出去，而不是在内部捕获并处理。
• 拷贝和交换：实现强异常安全保证的常用技术。

示例

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        resource = new Resource();
    }
    ~MyClass() {
        delete resource;  // 资源在析构时释放
    }
private:
    Resource* resource;
};

在上述示例中，即使在构造 MyClass 期间发生异常，资源也会在其析构函数中被安全释放。

注意事项

• 防止资源泄露：确保所有资源都在对象生命周期结束时释放。
• 处理异常：在构造函数和析构函数中正确处理异常，特别是在多个资源需要被管理时。
• 避免异常在析构函数中抛出：析构函数抛出异常可能导致程序终止。

资源管理和异常安全是 C++ 高效编程的关键。合理利用 RAII 原则和智能指针可以大大简化这些任务，提高程序的可靠性和维护性。

7. 对象的动态创建和销毁

在 C++ 中，对象的动态创建和销毁涉及使用 new 和 delete 操作符以及它们的变体。除了标准的 new 和 delete，还有一些特殊的用法，允许开发者更精细地控制对象的生命周期和内存布局。

定位 new（Placement new）

定位 new 允许在已分配的内存上构造对象。这种方法常用于内存池、自定义分配器或避免额外的内存分配开销。

用法

#include <new>  // 必须包含头文件 <new>

char buffer[sizeof(MyClass)];
MyClass* myClassPtr = new (buffer) MyClass();  // 在 buffer 上构造对象

在这个示例中，MyClass 的对象被构造在预先分配的 buffer 上，而不是通过常规的 new 分配新内存。这种做法不会分配内存，但需要手动调用析构函数来销毁对象。

显式调用析构函数

当对象通过定位 new 构造时，或者需要在对象的生命周期结束前显式销毁对象时，可以直接调用其析构函数。

用法

myClassPtr->~MyClass();  // 显式调用析构函数

注意事项

内存管理：使用定位 new 时，开发者需要负责相关内存的分配和释放。

避免内存泄漏：确保为每次定位 new 调用显式调用相应的析构函数。

对齐要求：当在自定义缓冲区上构造对象时，需要确保缓冲区满足对象的对齐要求。

异常处理：在使用定位 new 时要注意异常安全性，确保在构造发生异常时适当地处理已分配的内存。

总结

对象的动态创建和销毁是 C++ 中的高级特性，它们提供了对对象生命周期和内存布局的细粒度控制。这些技术在需要优化性能、管理复杂资源或实现自定义内存管理策略时非常有用。然而，它们也增加了代码的复杂性和出错的可能性，因此应谨慎使用。在大多数情况下，推荐使用标准的内存管理工具和技术，如 RAII、智能指针和标准容器。