C/C++ - 内存管理(C++)

堆栈

C++中的栈和堆是用于存储变量和对象的两个主要内存区域。
栈是一种自动分配和释放内存的区域，用于存储局部变量和函数调用的上下文。栈上的内存分配和释放是自动进行的，无需手动管理。
堆是动态分配内存的区域，用于存储动态创建的对象和数据结构。
堆上的内存分配和释放需要手动进行，通过使用 new / malloc 和 delete / free 运算符或者使用智能指针等机制。
堆(Heap)
- 堆是在程序运行时动态分配内存的区域，用于存储动态创建的对象和数据结构。
- 在堆上分配的内存需要手动进行管理，通过使用 new 和 delete 运算符或者智能指针等机制进行内存的分配和释放。
- 堆上的内存可以在任何时候进行分配和释放，而不受作用域的限制。
  cpp 复制代码
```
int* ptr = new int;  // 动态分配一个整型内存块
*ptr = 5;
delete ptr;  // 释放内存
```
栈(tack)
- 栈是基于线程而言的，每条线程都有属于自己的栈区。
- 栈是一种自动分配和释放内存的区域，用于存储局部变量和函数调用的上下文。
- 栈上的内存分配和释放是自动进行的，无需手动管理。
- 栈上的内存分配和释放遵循"先进后出"的原则，即最后进入栈的变量最先离开。
  cpp 复制代码
```
void foo() 
{
    int x = 5;  // 在栈上分配整型变量
    // ...
}  // 函数结束，栈上的变量自动释放
```
栈上分配的内存特点
- 栈上分配的内存空间相对较小，受限于编译器和操作系统的设置。通常在几兆字节到几十兆字节之间。
- 栈上的内存分配和释放速度较快，仅涉及移动栈指针。
- 栈上的内存分配是按照严格的顺序进行的，无法随机访问。
堆和栈的比较
- 堆和栈都是用于存储数据的内存区域，但它们有不同的特点和用途。
- 堆适用于动态分配内存，可以在任何时候进行分配和释放，适用于需要灵活管理内存的情况。
- 栈适用于自动分配和释放内存，适用于局部变量和函数调用的上下文。

内存

new
- 动态分配单个对象
  - 使用new运算符可以在堆上动态分配单个对象的内存，并返回指向该内存的指针。
  - 语法：new 类名; 或 new 类名(参数);
    cpp 复制代码
```
int* ptr = new int;  // 动态分配一个整型对象
*ptr = 5;  // 对分配的内存进行操作
delete ptr;  // 释放内存
```
- 底层执行
- 动态分配对象数组：
  - 使用new运算符可以在堆上动态分配对象数组的内存，并返回指向该内存的指针。
  - 语法：new 类名[数组大小];
    cpp 复制代码
```
int* arr = new int[5];  // 动态分配一个包含5个整型元素的数组
for (int i = 0; i < 5; ++i) 
{
    arr[i] = i;
}
delete[] arr;  // 释放内存
```

delete

释放单个对象内存：
- 使用delete运算符可以释放通过new运算符分配的单个对象的内存。
- 语法：delete 指针;
  cpp 复制代码
```
int* ptr = new int;  // 动态分配一个整型对象
*ptr = 5;
delete ptr;  // 释放内存
```

释放对象数组内存：

使用delete[]运算符可以释放通过new运算符分配的对象数组的内存。

语法：delete[] 指针;

cpp 复制代码

#include <iostream>


int main()
{
	//new    - malloc
	//delete - free

	//C
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (p1)
	{
		free(p1);
		p1 = NULL;
	}

	int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (p2)
	{
		free(p2);
		p2 = NULL;
	}

	//CPP
	int* p3 = new int;
	if (p3)
	{
		delete p3;
		p3 = NULL;
	}

	int* p4 = new int(10);
	if (p4)
	{
		delete p4;
		p4 = NULL;
	}

	int* p5 = new int[10];
	if (p5)
	{
		delete[] p5;
		p5 = NULL;
	}

	return 0;
}

内存失败处理

在使用new运算符分配内存时，如果内存不足或分配失败，会抛出std::bad_alloc异常。因此，需要在代码中适当处理异常情况

可以使用try-catch语句块来捕获并处理异常。

cpp 复制代码

#include <iostream>


void Exception_CPP()
{
	try
	{
		//可能会出现错误的代码
		long long* p = new long long[0xFFFFFFF];
		delete[] p;
	}
	catch (const std::exception& Error)
	{
		//出现异常捕获处理异常
		std::cout << "Exception ->" << Error.what() << std::endl;
	}

}

int main()
{
	Exception_CPP();

	return 0;
}

智能指针

在C++中，智能指针是一种用于管理动态分配的内存资源的工具。它们以对象的形式封装了原始指针，并提供了自动化的内存管理和资源释放，从而减少内存泄漏和悬挂指针等问题。
智能指针主要有两种类型：shared_ptr和unique_ptr。

shared_ptr

shared_ptr是一种引用计数智能指针，用于多个指针共享同一个对象。它会跟踪有多少个shared_ptr指向同一块内存，并在不再需要时自动释放该内存。

创建

cpp 复制代码

std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);

引用计数

cpp 复制代码

std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(42);
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 引用计数递增

std::cout << ptr1.use_count() << std::endl; // 输出2，引用计数为2

解引用

cpp 复制代码

std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
std::cout << *ptr << std::endl; // 输出42

重置指针

cpp 复制代码

std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);
ptr.reset(); // 释放资源，引用计数减少

if (ptr == nullptr) {
    std::cout << "智能指针为空" << std::endl;
}

unique_ptr

unique_ptr是一种独占式智能指针，用于唯一地拥有一个对象。它提供了对动态分配的内存的所有权，并在不再需要时自动释放该内存。

创建

cpp 复制代码

std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);

移动语义

cpp 复制代码

std::unique_ptr<int> ptr1 = std::make_unique<int>(42);
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 移动语义，ptr1不再拥有资源

if (ptr1 == nullptr) 
{
    std::cout << "ptr1不再拥有资源" << std::endl;
}

解引用

cpp 复制代码

std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
std::cout << *ptr << std::endl; // 输出42

释放资源

cpp 复制代码

std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);
ptr.release(); // 释放资源，但不销毁指针

if (ptr == nullptr) 
{
    std::cout << "unique_ptr已释放资源" << std::endl;
}