第十二章 动态内存

前言

静态内存用来保存局部static对象，类static数据成员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。分配在静态或栈内存中的对象由编译器自动创建和销毁。对于栈对象，仅在其定义的程序块运行时才存在；static对象在使用之前分配，在程序结束时销毁。

动态内存

一. 动态内存与智能指针

1. 新标准提供的两种智能指针区别在于，管理底层指针的方式：

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；

标准库还定义了一个名为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

2. 默认初始化的智能指针中保存着一个空指针；
3. 函数unique：若指针的use_count为1，返回true，否则false；
   函数use_count：返回与指针共享对象的智能指针数量；可能很慢，主要用于调试；
4. 最安全的分配和使用动态的方法是调用make_shared 的标准函数，通常和auto一起使用。
5. 一旦一个shared_ptr 的计数器变为0的时候，它就会自动释放自己所管理的对象；

其中利用了析构函数，其会递减它所指向的对象的引用计数，如果引用计数为0，其就会销毁对象，并释放它所占用的内存。

对于一块内存，shared_ptr 类保证只要有任何shared_ptr 对象引用它，它就不会释放掉；

如果你将shared_ptr 存放于一个容器中，而后不再需要全部元素，而只使用其中一部分，要记得用erase 删除不再需要的元素；

一般而言，如果两个对象共享底层的数据，当某个对象被销毁时，我们不能单方面的销毁底层数据；

2. 直接管理内存

6. 默认情况下，动态内存是默认初始化的，这意味着内置类型或组合类型（比如 int ，string，vector等等）的对象的值将是未定义的，而类类型对象将用默认构造函数进行初始化；
7. 如果提供了一个括号包围的初始化器，就可以使用auto，从此初始化器来推断想要分配的对象的类型，但是，由于编译器要用初始化器的类型推断要分配的类型，只有当括号中仅有单一初始化器时才可以使用auto。

比如代码：

auto p1 = new auto(1); //正确
    
auto p2 = new auto(2, "a", 'c'); //报错

8. 类似其他任何const 对象，一个动态分配的const 对象必须进行初始化；
   例如：

    // 显式初始化
    const int * p1 = new const int(12);
    // 隐式初始化
    const string * p2 = new const string;

9. 默认情况下，如果new不能分配所要求的内存空间，它就会抛出一个类型为bad_alloc 的异常；
   改变new的方式来阻止它抛出的异常，即定位new：

// 如果分配失败，不会抛异常，而是返回一个空指针
    int * p1 = new (nothrow) int;

10. delete掉的必须是指向动态分配的内存，或者是一个空指针；

11. 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；

12. 空悬指针，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；

避免空闲指针，可以在指针离开作用域后，释放掉所关联的内存，如果需要保留指针，可以在delete 之后将nullptr 赋予指针；

但是即使释放自己所关联的内存，但是可能存在多个指针指向相同的内存，都变无效了，其并没有对它们进行重置，

13. 接受指针参数的智能指针构造函数是explicit的，因此，不能将一个内置指针隐式转换为一个智能指针，必须直接初始化形式来初始化一个智能指针；
    比如：

    shared_ptr<int> p1 = new int(1024); // 报错
    
    shared_ptr<int> p2(new int(1024)); // 正确

14. 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，因为我们无法知道对象何时被销毁；

15. get返回一个内置指针，指向智能指针管理的对象；

get 用来将指针的访问权限传递给代码，你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。

16. reset函数会更新引用计数，会导致释放掉之前的指向的对象；
    reset 成员经常与unique 一起使用，来控制多个shared_ptr 共享的对象；

17. 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；

18. 由于一个unique_str 拥有它所指向的对象，因此unique_str 不支持普通的或赋值操作，但是我们可以通过调用release 或 reset 将指针的所有权从一个（非const）unique_str 转移给另一个unique；

比如：

// 将所有权从p1转移到p2
    unique_ptr<string> p1(new string("Hello"));
    unique_ptr<string> p2(p1.release()); // 将p1置为空
    
    // 将所有权从p3转移到p2
    unique_ptr<string> p3(new string("World"));
    p2.reset(p1.release());
    
    unique_ptr<string> p4(p1); // 报错

19. 不能拷贝 unique_ptr 的规则有一个例外：可以拷贝或赋值一个将要被销毁的 unique_ptr ，最常见的例子就是，从函数返回一个unique_ptr。

20. weak_ptr 是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，他指向一个 shared_ptr 管理的对象；将一个 weak_ptr 绑定到一个 shared_ptr 不会改变 shared_ptr 的引用计数。一旦最后一个指向指向对象的 shared_ptr 被销毁，对象就会释放，即使有 weak_ptr 指向对象，对象也还是会释放；

21. use_count：共享对象的shared_ptr的数量；
    expired：若use_count 为0，返回true，否则返回false；
    lock：如果expired为true，返回一个空的shared_ptr，否则返回一个指向自己的shared_ptr；

22. 对象可能不存在，所以不能使用weak_ptr 直接访问对象，而必须调用lock。
    比如：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    auto p = make_shared<int>(42);
    weak_ptr<int> wp(p); //用shared_ptr进行初始化
    
    if (shared_ptr<int> np = wp.lock()) { // 访问对象安全
        cout << "np != null" << endl;
    }
    
    return 0;
}

二. 动态数组

23. 使用容器的类可以使用默认版本的拷贝、赋值和析构操作，分配动态数组的类则必须定义自己版本的操作，在拷贝、赋值以及销毁对象时管理所关联的内存；因此使用容器更为简单、更不容易出现内存管理错误并且可能有更好的性能；

24. 当用new分配一个数组时，我们并未得到一个数组类型的对象，而是得到一个数组元素类型的指针；

25. 如果初始化器数目小于元素数目，剩余元素将进行值初始化；如果初始化器数目大于元素数目，则new表达式失败，不会分配任何内存；

26. 当用new 分配一个大小为0的数组时，new返回一个合法的非空指针；对于长度为0的数组而言，此指针就像尾后指针一样，可以像使用尾后迭代器一样使用这个指针。但是，此指针不能解引用，毕竟它不指向任何元素。

27. 释放动态数组时，需要加上方括号［］，其释放内存时，按照逆序销毁数组中元素；

28. 标准库提供了一个可以管理new分配的数组的unique_ptr 的版本；

代码：

// up指向一个包含10个未初始化int的数组
unique_ptr<int[]> up(new int[10]);
up.release(); // 自动用delete[]销毁其指针

当一个unique_ptr指向一个数组时，不能使用点和箭头，即不支持成员访问运算符，但是可以通过下标运算符来访问数组中元素；

29. 和unique_ptr不同，shared_ptr不直接支持管理动态数组，如果希望使用shared_ptr管理一个动态数组，必须提供自己定义的删除器；
    必须使用get获取一个内置指针，然后用它来访问数组元素；

30. allocator类帮助我们将内存分配和对象构造分离开；提供一种类型感知的内存分配方法，它分配的内存是原始的，未构造的；其类似vector，是个模版，必须指明可以分配的对象类型，其会根据给定的对象类型来确定恰当的内存大小和对齐位置；
    代码：

allocator<string> alloc;
auto const p = alloc.allocate(10); //分配10个未初始化的string

31. 为了使用allocate返回的内存，必须使用construct构造对象，使用未构造的内存，其行为是未定义的；
    当用完对象后，必须对每个构造的元素调用destroy来销毁它们，函数destroy接受一个指针，对指向的对象执行析构函数；（前提是已经构造了）
    传递给deallocate的指针不能为空，它必须指向由allocate分配的内存，而且，传递给deallocate的大小参数必须与调用allocated分配内存时提供的大小参数具有一样的值。

32. allocator类中还有定义了伴随算法，可以在未初始化内存中创建对象。

uninitialized_copy(b, e, b2)
uninitialized_copy_n(b, n, b2)
uninitialized_fill(b, e, t)
uninitialized_fill_n(b, n, t)