使用C++做算法时，对内存的管理的办法

使用C++做算法时，对内存的管理的办法

最近老是在想C++的内存控制机制，查了一些资料所以有点想法，自己记录一下免得以后自己忘了。

 

1. 需求

 

在做线性代数的算法时，首要的就实现Matrix这个类。由于Matrix的行列可变化，所以必须使用动态的内存分配。动态的内存分配就必须要考虑内存的申请和释放，以及动态内存在不同对象之间的传递机制。考虑到算法的复杂性，所以在Matrix之外不打算使用指针，以降低算法实现的复杂度。

 

2. 可实现的方法

 

总体上，我能找到的方法有以下2种。

 

1. 利用默认的构造复制构造函数和默认重载以及赋值操作函数动态申请和释放内存和引用计数机制实现不同对象之间对同一块内存的共享，最后只有一个对象负责将动态申请的内存块释放掉，例如OpenCV中的Mat等类使用的就是这种技术。
2. 利用C++的复制构造函数和重载赋值操作，将对象的复制构造和赋值统统进行深度复制，这样每个对象负责一个动态申请的内存块，互不干扰。例如STL的vector等容器。

 

感谢C++11引入的分享指针和右值引用，所以还有两种新的办法。

 

　　3. 使用分享指针。分享指针将负责动态申请的内存的释放，利用C++的默认复制构造函数和默认重载赋值操作即可。由于分享指针不能动态申请内存块，所以　　　　以动态申请vector<T>代替。该方法与上述方法1相似，只是利用分享指针控制内存。

 

　　4. 利用C++的右值引用，实现移动语义。重载C++类的复制构造函数和重载赋值操作，实现对动态数据的深度复制，利用移动构造函数和移动赋值操作实现对　　　　动态数据的管理权的获取。

 

3. 方法的比较

 

1. 第一种方法算是一种使用比较流行的办法。好处自然就不必说了，不同对象之间可以共享动态内存，在数据量大的时候避免重复移动数据造成开销，程序的效率高。但是，其优点也是其缺点，在数学计算和赋值中，必须时刻警惕，到底哪些对象共享了内存，或者现在对象的内存是谁申请的等问题，反而让算法编写充满了紧张气氛。为了安心，还得显示的实现深度赋值操作，在数据之间赋值时显示的调用，让程序看起来不那么的美观。
2. 第二种方法是一种很安全，也是C++03中提倡的方法。该方法将动态申请的数据进行深度复制，每个对象一份，互不干扰，跟操作基本数据类型一样。当然，在函数调用中可以采用左值引用方法，同样也具备效率优势。但是，在一些临时数据出现的地方，这种方法就需要进行没必要的深度复制，浪费计算资源，例如函数返回临时对象。同样，如果数据量大，该方法将大量的使用堆中数据，这时，不得不使用指针来缓解，而这又增加了算法编程的复杂度。
3. 第三种方法与第一种方法类似，只是实现方法不一样，不再赘述。
4. 第四种方法是C++11提倡的方法，总体来说，实在第二种方法基础之上增加了移动语义，将利用临时变量的地方可以实现动态数据管理权的转让，这样不必进行深度的数据复制，提高程序的运行效率。该方法需要理解新引入的右值引用（以前的引用称为左值引用），编译器遇到右值将调用移动构造函数或者移动赋值操作。同样，也可以强制语义移动，如果非得进行移动的话，例如临时对象作为返回值。该方法基本上缓解了动态内存管理和数据安全效率之间的矛盾。但是，对象之间的数据是不分享的，如果想让对象之间分享数据，该方法不支持。

 

4. 总结

 

如果是用于线性代数计算，而且不适用指针的话，我会采用第四种方法和引用来编写算法。只是，目前支持C++11的编译器不多，如Visual 2012和Gnu g++4.8，因此，写出来的程序只能使用原来的代码用在较新的编译器里，而不能使用在不支持C++11编译器里。