C++ 动态内存管理
在 C++ 中，动态内存管理是一个核心概念，它允许在运行时分配和释放内存。以下是 C++ 动态内存管理需要掌握的关键知识点：
1. new 和 delete 操作符
在 C++ 中，new 和 delete 是用于动态内存分配和释放的基本操作符。
new 操作符
new 用于在堆（也称为自由存储区）上动态分配内存，并返回指向新分配内存的指针。new 会调用对象的构造函数来初始化对象。
基本用法
int* ptr = new int; // 分配一个 int 的内存 *ptr = 5; // 初始化该 int
初始化
new 还支持直接初始化：
int* ptr = new int(5); // 分配内存并初始化为 5
异常
如果内存分配失败（例如由于内存不足），new 将抛出 std::bad_alloc 异常。
数组分配
对于数组的分配，new 提供了特殊的语法：
int* array = new int[10]; // 分配一个包含 10 个整数的数组
delete 操作符
delete 用于释放由 new 分配的内存，并调用对象的析构函数。
基本用法
delete ptr; // 释放内存并调用析构函数
数组释放
释放由 new 分配的数组需要使用 delete[]：
delete[] array; // 释放数组内存
注意事项
避免内存泄漏：每个 new 分配的内存都应该使用对应的 delete 或 delete[] 来释放。
避免悬挂指针：释放内存后，指针变成悬挂指针。应该将指针设为 nullptr。
不要重复释放内存：对同一内存块调用两次 delete 会导致未定义行为。
数组与非数组形式要匹配：用 new[] 分配的内存必须用 delete[] 释放，用 new 分配的内存必须用 delete 释放。
替代方案
在现代 C++ 开发中，建议使用智能指针（如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）来自动管理动态分配的内存，以避免手动管理内存的复杂性和风险。智能指针在其析构函数中自动释放它们所拥有的内存，从而帮助防止内存泄漏和其他常见的内存管理错误。
2. 动态分配数组
在 C++ 中，动态分配数组涉及使用 new 和 delete 操作符来在堆上分配和释放连续的内存块，用于存储数组。这种机制允许在运行时确定数组的大小，提供了比静态数组更大的灵活性。
使用 new[] 分配数组
new[] 用于动态分配一个元素数量已知的数组。
基本用法
int* myArray = new int[10]; // 分配一个包含 10 个整数的数组
在这个例子中，new[] 分配了一个包含 10 个整数的数组，并返回一个指向数组第一个元素的指针。分配的数组在堆上，其生命周期直到使用 delete[] 显式释放为止。
初始化数组
使用 new[] 分配的数组默认进行值初始化。对于内置类型，如 int，这意味着数组元素被初始化为零。对于类类型的元素，将调用默认构造函数。
使用 delete[] 释放数组
使用 delete[] 来释放由 new[] 分配的数组内存。
基本用法
delete[] myArray; // 释放数组内存
在这个例子中，delete[] 释放了之前分配的数组内存。如果数组元素是类对象，delete[] 还将调用每个对象的析构函数。
注意事项
匹配使用 new[] 和 delete[]：用 new[] 分配的内存必须用 delete[] 释放。使用不匹配的 delete 形式会导致未定义行为。
避免内存泄漏：每个通过 new[] 分配的数组都应该使用 delete[] 释放。
处理数组指针：释放内存后，指针变成悬挂指针。为了安全，应将指针设为 nullptr。
数组大小不可更改：一旦数组被分配，其大小将固定，不能更改。如果需要可调整大小的数组，可以考虑使用 std::vector。
替代方案
在现代 C++ 中，推荐使用 std::vector 或其他标准容器来替代手动管理的动态数组。标准容器提供了更安全、更方便的方式来处理动态分配的数组，自动管理内存，并提供了许多额外的功能，如自动调整大小和元素访问的边界检查。
3. 处理内存分配失败
在 C++ 中，动态内存分配可能会失败，尤其是在内存资源紧张的情况下。处理内存分配失败是动态内存管理的一个重要方面，确保程序在内存不足时能够可靠地运行。
new 的内存分配失败
当使用 new 进行内存分配时，如果系统无法满足分配请求，将抛出 std::bad_alloc 异常。这是 C++ 标准库中定义的一个异常类型，用来表示内存分配失败。
示例
try { int* myArray = new int[1000000000]; // 尝试分配大量内存 } catch (const std::bad_alloc& e) { std::cerr << "Memory allocation failed: " << e.what() << std::endl; // 处理内存分配失败的情况 }
在这个例子中，如果内存分配失败，程序会捕获 std::bad_alloc 异常，并通过 catch 块来处理这种情况。
new (nothrow) 和内存分配失败
C++ 还提供了一种不抛出异常的内存分配方式，即 new (std::nothrow)。如果使用 new (std::nothrow) 进行内存分配，当内存分配失败时，它不会抛出异常，而是返回一个空指针。
示例
#include <new> // 引入 std::nothrow int* myArray = new(std::nothrow) int[1000000000]; if (myArray == nullptr) { std::cerr << "Memory allocation failed." << std::endl; // 处理内存分配失败的情况 }
在这个例子中，如果内存分配失败，则 myArray 会被设置为 nullptr，程序可以检查这一点并相应地处理。
注意事项
- 及时处理分配失败：应检查每次 new 或 new (nothrow) 调用的返回值，并在内存分配失败时进行适当处理。
- 避免资源泄露：在处理内存分配失败时，应确保已分配资源的正确释放，避免资源泄露。
- 考虑备选方案：在内存紧张的环境中，考虑使用更小的内存请求，或使用备选的数据结构和算法。
4. 智能指针
在 C++ 中，智能指针是用于自动管理动态分配的内存的对象。智能指针通过在其析构函数中释放关联的内存，帮助避免内存泄漏和指针错误。标准库提供了几种类型的智能指针，最常用的包括 std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。
std::unique_ptr
std::unique_ptr 是一个独占式智能指针，它拥有其指向的对象，并在 unique_ptr 对象销毁时自动删除关联的对象。
特点
- 独占所指向的对象。
- 不允许复制，但可以移动。
- 自动释放所拥有的对象。
示例
#include <memory> std::unique_ptr<int> ptr(new int(10)); // 创建 unique_ptr
std::shared_ptr
std::shared_ptr 是一个共享式智能指针，它允许多个 shared_ptr 实例共享同一个对象。当最后一个拥有对象的 shared_ptr 被销毁时，对象被删除。
特点
- 共享对象的所有权。
- 使用引用计数来跟踪拥有对象的 shared_ptr 数量。
- 允许复制和移动。
示例
std::shared_ptr<int> shared1(new int(20)); std::shared_ptr<int> shared2 = shared1; // 共享所有权
std::weak_ptr
std::weak_ptr 是一种不拥有对象的智能指针，它被设计用来观察 std::shared_ptr，但不影响其引用计数。
特点
- 不拥有对象，不影响 shared_ptr 的引用计数。
- 用来解决 shared_ptr 相互引用导致的循环引用问题。
- 可以从 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 创建。
示例
std::shared_ptr<int> shared(new int(30)); std::weak_ptr<int> weak = shared; // 观察 shared_ptr
管理策略
- unique_ptr 适用于资源的独占管理。
- shared_ptr 适用于资源的共享管理，需要注意循环引用问题。
- weak_ptr 用于“安全观察” shared_ptr 所管理的资源，避免循环引用。
总结
智能指针在自动管理资源方面提供了极大的方便，是现代 C++ 中管理动态资源的首选方法。使用智能指针可以减少直接使用 new 和 delete 的需要，降低内存泄漏和其他内存错误的风险。
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