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。

除了静态内存和栈内存，每个程序还拥有一个内存池。这部分内存被称为自由空间或堆。程序用堆来存储动态分配的对象——即，那些在程序运行时分配的对象。动态对象的生存期由程序来控制，也就是说，当动态对象不再使用时，我们的代码必须显式地销毁它们。

动态内存与智能指针

动态内存的管理是通过一对运算符来完成的：new，在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针；delete，接受一个动态对象的指针，销毁该对象，并释放与之关联的内存。

动态内存的使用很容易出现问题，因为确保在正确的时间释放内存是及其困难的。忘记释放内存，会产生内存泄漏；在尚有指针引用内存的情况下我们就释放了内存，会产生引用非法内存的指针。

新标准库提供了两种智能指针类型来管理动态对象，它可以自动释放所指向的对象。shared_ptr允许多个指针指向同一个对象；unique_ptr则“独占”所指向的对象。weak_ptr是一种弱引用，指向shared_ptr所管理的对象，这三种类型都定义在memory头文件中。

shared_ptr类

当我们创建一个智能指针时，必须提供额外的信息——指针可以指向的类型。与vector一样，我们在尖括号内给出类型，之后是所定义的这种智能指针的名字：

shared_ptr<string>p1;		shared_ptr，可以指向string
shared_ptr<list<int>>p2;	shared_ptr，可以指向list<int>

默认初始化的智能指针中保存着一个空指针。

shared_ptr和unique_ptr都支持的操作

shared_ptr独有的操作

make_shared 函数

p3指向一个值为42的int的智能指针
shared_ptr<int>p3 = make_shared<int>(42);p4指向一个值为"88888"的string的智能指针
shared_ptr<string>p4 = make_shared<string>(5,'8');p5指向一个值为0的int的智能指针（int的初始化值为0）
shared_ptr<int>p5 = make_shared<int>();

shared_ptr的拷贝和赋值

当进行拷贝或赋值操作时，每个shared_ptr都会记录有多少个其他shared_ptr指向相同的对象。离开作用域计数器会递减，赋值操作，原指针计算器会递减，赋值指向的指针计数器会递增。示例代码如下：

	auto p = make_shared<int>(42);//p指向的对象只有p一个引用者auto r = make_shared<int>(4);//p指向的对象只有p一个引用者auto r2(r);//p指向的对象只有p一个引用者cout << "p引用数量：" << p.use_count()<<endl;{auto q(p);//p和q指向相同对象，此对象有两个引用者cout << "p引用数量：" << p.use_count() << endl;cout << "p指向：" << *p << endl;*q = 10;cout << "p指向：" << *p << endl;}cout << "在赋值之前，p引用数量：" << p.use_count() << endl;cout << "在赋值之前，原r引用数量：" << r2.use_count() << endl;r = p;cout << "在赋值之后，原r引用数量：" << r2.use_count() << endl;cout << "在赋值之后，p引用数量：" << p.use_count() << endl;cout << "p指向：" << *p << endl;

输出结果：

p引用数量：1
p引用数量：2
p指向：42
p指向：10
在赋值之前，p引用数量：1
在赋值之前，原r引用数量：2
在赋值之后，原r引用数量：1
在赋值之后，p引用数量：2
p指向：10

shared_ptr自动销毁所管理的对象

当指向一个对象的最后一个shared_ptr被销毁时，shared_ptr类会通过析构函数自动销毁此对象。shared_ptr的析构函数会递减它所指向的对象的引用计数，如果引用计数为0，shared_ptr的析构函数就会销毁对象，并释放它占用的内存。

shared_ptr还会自动释放相关联的内存

当动态对象不再被使用时，shared_ptr会自动释放动态对象，这一特性使得动态内存的使用变得非常容易。
假设现有一个Foo类，示例代码：

//factory返回一个shared_ptr，指向一个动态分配的对象
shared_ptr<Foo> factory(T arg){return make_shared<Foo>(arg);
}void use_factory(T arg){shared_ptr<Foo>p=factory(arg);//使用p
}//p离开作用域，它指向的内存会被自动释放//但如果有其他shared_ptr也指向这块内存，则它就不会被释放：
shared_ptr<Foo> use_factory2(T arg){shared_ptr<Foo>p=factory(arg);//使用preturn p;//当我们返回p时，引用计数进行了递增
}//p离开作用域，它指向的内存不会被释放

因此，如果将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删除不再需要的那些元素。

程序使用动态内存出于以下原因

• 程序不知道自己需要使用多少对象 例如：容器类
• 程序不知道所需对象的准确类型
• 程序需要在多个对象间共享数据

我们定义一个类，它使用动态内存是为了让多个对象共享相同的底层数据。我们定义一个名为Blob的类，保存一组元素。我们希望Blob对象的不同拷贝之间共享相同的元素，即，当我们拷贝一个Blob时，原Blob对象及其拷贝应该引用相同的底层元素。

Blob类的定义如下：

#ifndef __BLOB__
#define __BLOB__#include<string>
# include<iostream>
# include<vector>
# include<memory>
using namespace std;class Blob {
public:typedef vector<string>::size_type size_type;Blob();Blob(initializer_list<string>il);size_type size()const { return data->size(); }bool empty()const{return data->empty();}//添加和删除元素void push_back(const string &t) { data->push_back(t); }void pop_back();//元素访问string & front();string & back();//获取元素shared_ptr<vector<string>> getData() { return data; }//修改元素void changeData(size_type i,string str) {(*data)[i] = str;}private:shared_ptr<vector<string>>data;void check(size_type i,const string &msg)const;
};Blob::Blob() :data(make_shared<vector<string>>()){}
Blob::Blob(initializer_list<string>il) : data(make_shared<vector<string>>(il)) {}
void Blob::check(size_type i, const string &msg)const {if (i >= data->size())throw out_of_range(msg);
}
string& Blob::front() {check(0,"front on empty Blob");return data->front();
}
string& Blob::back() {check(0, "back on empty Blob");return data->back();
}
void Blob::pop_back() {check(0, "pop_back on empty Blob");data->pop_back();
}
void print(ostream& os,Blob b) {for (auto a : *(b.getData())) {os << a << " ";}os << endl;
}#endif

对Blob进行测试代码如下：

	Blob b1{ "a","an","the" };cout << "b1的元素为：";print(cout,b1);Blob b2(b1);cout << "b2的元素为：";print(cout, b2);b2.changeData(0,"hello");cout << "对b2中的元素进行修改后：" << endl;cout << "b1的元素为：";print(cout, b1);cout << "b2的元素为：";print(cout, b2);

输出结果：

b1的元素为：a an the
b2的元素为：a an the
对b2中的元素进行修改后：
b1的元素为：hello an the
b2的元素为：hello an the

从输出结果我们可以看出，Blob在多个对象间共享数据。当我们拷贝、赋值或销毁一个Blob对象时，它的shared_ptr成员会被拷贝、赋值或销毁。

我们定 义的Blob与vector的区别：

vector<string>v1;
{vector<string>v2={"a","an","the"};v1=v2;//从v2拷贝元素到v1中
}//v2被销毁，其中的元素也被销毁
//v1有三个元素，是原来v2元素的拷贝

Blob<string>b1;
{Blob<string>b2={"a","an","the"};b1=b2;//b1和b2共享相同的元素
}//b2被销毁，其中的元素不能销毁
//b1指向最初由b2创建的元素

直接管理内存

C++语言定义了两个运算符来分配和释放动态内存。运算符new分配内存，delete释放new分配的内存。相对于智能指针，使用这两个运算符管理内存非常容易出错。

使用new动态分配和初始化对象

在自由空间分配的内存是无名的，因此new无法为其分配的对象命名，而是返回一个指向该对象的指针。
例如：

int *pi = new int(1024);
vector<int> *pv = new vector<int>{1,2,3,4,5};

如果我们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我们想要分配的对象的类型。只有当括号中仅有单一初始化器时才可以使用auto：

auto p1 = new auto(obj); //p1指向一个与obj类型相同的对象
auto p2 = new auto(a,b,c); //错误：括号中只能有单个初始化器

动态分配的const对象

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。

const int *pci = new const int(1024);

内存耗尽 定位new

虽然现代计算机通常都配备大容量内存，但是自由空间被耗尽的情况还是有可能发生。一旦一个程序用光了它所有可用的内存，new表达式就会失败。默认情况下，如果new不能分配所要求的内存空间，它会抛出一个类型为bad_alloc的异常。我们可以改变使用new的方式来阻止它抛出异常。我们称这种形式的new为定位new。

int *p1 = new int;//如果分配失败，new抛出std::bad_alloc
int *p1 = new (nothrow) int;//如果分配失败，new返回一个空指针

释放动态内存

我们通过delete表达式来将动态内存归还给系统。delete表达式接受一个指针，指向我们想要释放的对象：

delete p;

与new类型类似，delete表达式也执行两个动作：销毁给定的指针指向的对象；释放对应的内存。

我们传递给delete的指针必须指向动态分配的内存，或者是一个空指针。释放一块并非new分配的内存，或者将相同的指针值释放多次，其行为是未定义的。

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。

使用new和delete管理动态内存存在三个常见问题

• 忘记delete内存，会导致“内存泄漏”问题，因为这种内存永远不可能归还给自由空间了。
• 使用已经释放掉的对象。
• 同一块内存释放两次。当有两个指针指向相同的动态分配对象时，可能发生这种错误。如果对其中一个指针进行了delete操作，对象的内存就被归还给自由空间了。如果我们随后又delete第二个指针，自由空间就可能被破坏。

delete之后重置指针值

当我们delete一个指针后，指针值就变为无效了。虽然指针已经无效，但在很多机器上指针仍然保存着（已经释放了的）动态内存的地址。在delete之后，指针就变成了人们所说的空悬指针，即，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。
未初始化指针的所有缺点空悬指针也都有。有一种方法可以避免空悬指针的问题：在指针即将要离开其作用域之前释放掉它所关联的内存。如果我们需要保留指针，可以在delete之后将nullptr赋予指针，这样就清楚地指出指针不指向任何对象。

动态内存的一个基本问题是可能有多个指针指向相同的内存。在delete内存之后重置指针的方法只对这个指针有效，对其他任何仍指向（已释放的）内存的指针是没有作用的，以下代码重置p对q没有任何作用。

int *p(new int(42));
auto q=p;  //p和q指向相同的内存
delete p;//p和q均变为无效
p=nullptr;//指出p不再绑定到任何对象

智能指针和new对比

int *q=new int(42),*r=new int(100);
r=q;
auto q2=make_shared<int>(42),r2=make_shared<int>(100);
r2=q2;

以上代码new指针的两个问题：

• 内存泄漏问题，r和q都指向42的内存地址，而r原来保存的地址——100的内存再无指针管理，不能进行释放，造成内存泄漏。
• 空悬指针问题，r和q指向同一个动态对象，如果程序编写不当，很容易产生释放了其中一个指针，而继续使用另一个指针的问题。

智能指针的优势：

• 将q2赋予r2，赋值操作会将q2指向的对象地址赋予r2，并将r2原来指向的对象的引用计数减1，将q2指向的对象的引用计数加1，这样前者的引用计数变为0，其占用的内存空间会被释放，不会造成内存泄漏。
• 而后者的引用计数变为2，也不会因为r2和q2之一的销毁而释放它的内存空间，因此也不会造成空悬指针的问题。

shared_ptr和new结合使用

如果我们不出事后一个智能指针，它就会被初始化为一个空指针。我们还可以用new返回的指针来初始化智能指针。接受指针参数的智能指针构造函数是explicit，因此我们不能将一个内置指针隐式转换为一个智能指针，必须使用直接初始化形式来初始化一个智能指针。

shared_ptr<int>p1=new int(1024);//错误
shared_ptr<int>p2(new int(1024));//正确：使用了直接初始化形式

定义和改变shared_ptr的其他方法

不要混合使用智能指针和普通指针

void process(shared_ptr<int>ptr){}shared_ptr<int> x(new int(1024));//引用计数为1
process(x); //正确，拷贝x会递增它的引用计数，在process中引用计数为2
int j=*x;//正确：引用计数为1

void process(shared_ptr<int>ptr){}int *x(new int(1024));
process(x); //错误，不能将int*转换为shared_ptr<int>
process(shared_ptr<int>(x));//正确，但内存会被释放
int j=*x;//未定义的，x是一个空悬指针

在该调用中，我们将一个临时的shared_ptr传递给process，当这个调用所在的表达式结束时，这个临时对象就被销毁了。销毁这个临时变量会递减引用计数，此时引用计数为0，因此，当临时变量被销毁时，它所指向的内存会被释放，但x继续指向（已经释放的）内存，从而变成一个空悬指针，如果试图使用x的值，其行为是未定义的。
当将一个shared_ptr绑定到一个普通指针时，我们就将内存的管理责任交给了这个shared_ptr。一旦这样做了，我们就不应该再使用内置指针来访问shared_ptr所指向的内存了。
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会被销毁。

不要使用get初始化另一个智能指针或为智能指针赋值

智能指针类型定义了一个名为get的函数，它返回一个内置指针，指向智能指针管理的对象。当我们需要向不能使用智能指针的代码传递一个内置指针时可用get。使用get返回的指针的代码不能delete此指针。

	shared_ptr<int>p(new int(42));//p的引用计数为1int *q = p.get();//正确，但使用q时要注意，不要让它管理的指针被释放，p的引用计数仍然为1{process(shared_ptr<int>(q));}int foo = *p;//错误，此时p的引用计数为1，但p指向的内存已经被释放了，p成为类似空悬指针的shared_ptr

在本例中，p和q指向相同的内存，由于它们是相互独立创建的，因此各自的引用计数都是1。当q所在的程序块结束时，q被销毁，这会导致q所指向的内存被释放。从而q变成一个空悬指针，当我们试图使用p时，将发生未定义的行为。而且当p被销毁时，这块内存会被第二次delete。

智能指针和异常

使用智能指针，即使程序块过早结束，智能指针类也能确保在内存不再需要时将其释放：

void f(){shared_ptr<int>sp(new int(42));//分配一个新对象//这段代码抛出一个异常，且在f中未被捕获
}//在函数结束时shared_ptr自动释放内存

与之相对的，如果使用内置指针管理内存，且在new之后在对应的delete之前发生异常，则内存不会被释放：

void f(){int *ip=new int(42);//动态分配一个新对象//这段代码抛出一个异常，且在f中未被捕获，则内存不会被释放delete ip;//释放内存的代码
}

使用自己定义的释放操作

现有以下类和函数：

struct destination;//表示我们正在连接什么
struct connection;//使用连接所需的信息
connection connect(destination*);//打开连接的函数
void disconnect(connection);//关闭给定的连接

代码一：

void f(destination &d){//获得一个连接connection c = connect(&d);//使用连接//如果我们在f退出前忘记调用disconnect，就无法关闭c了
}

代码二，使用shared_ptr：

//定义删除器：
void end_connection(connection *p){disconnect(*p);}
//创建shared_ptr：
void f(destination &d){//获得一个连接connection c = connect(&d);shared_ptr<connection>p(&c,end_connection);//使用连接//当f退出时（即使是由于异常而退出），connection会被正确关闭
}

当p被销毁时，它不会对自己保存的指针执行delete，而是调用end_connection，接下来end_connection会调用disconnect，从而确保连接被正确关闭。如果f正常退出，那么p的销毁会作为结束处理的一部分。如果发生了异常，p同样会被销毁，从而连接被正确关闭。

使用智能指针基本规范

• 不适用相同的内置指针值初始化（或reset）多个智能指针
• 不delete get()返回的指针
• 不适用get()初始化或reset另一个智能指针
• 如果使用get()返回的指针，记住当最后一个对应的智能指针销毁后，你的指针就变为无效了
• 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

unique_ptr

与shared_ptr不同，某个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定对象，与shared相同的操作在表中

unique_ptr特有的操作

由于一个 unique_ptr拥有它所指向的对象，因此 unique_ptr不支持普通的拷贝或赋值操作：

unique_ptr<string>p1(new string("hello"));
unique_ptr<string>p2(p1);//错误，不支持拷贝
unique_ptr<string>p3;
p3=p1;//错误，不支持赋值

虽然我们不能拷贝或赋值unique_ptr，但可以通过调用release或reset将指针的所有权从一个（非const）unique_ptr转移给另一个unique_ptr：

release返回指针

如果我们不用另一个智能指针来保存release返回的指针，我们的程序就要负责资源的释放：

p2.release();//错误，p2不会释放内存，而且我们丢失了指针
auto p=p2.release();//正确，但我们必须记得 delete p

传递unique_ptr参数和返回unique_ptr

不能拷贝unique_ptr的规则有一个例外：我们可以拷贝或赋值一个将要被销毁的unique_ptr。最常见的例子是从函数返回一个unique_ptr：

unique_ptr<int> clone(int p){return unique_ptr<int>(new int(p));
}

还可以返回一个局部对象的拷贝：

unique_ptr<int> clone(int p){unique_ptr<int>ret(new int(p));//...return ret;
}

向unique_ptr传递删除器

类似shared_ptr，unique_ptr默认情况下用delete释放它所指向的对象。与shared_ptr一样，我们可以重载一个unique_ptr中默认的删除器。
对比shared_ptr的连接程序，我们重写连接程序如下：

//定义删除器：
void end_connection(connection *p){disconnect(*p);}
//创建shared_ptr：
void f(destination &d){//获得一个连接connection c = connect(&d);unique_ptr<connection,decltype(end_connection)*>p(&c,end_connection);//使用连接//当f退出时（即使是由于异常而退出），connection会被正确关闭
}

weak_ptr

weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，它指向由一个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。一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放。

示例代码：

	auto p = make_shared<int>(42);auto q(p);auto p2(p);cout << "p.use_count():" << p.use_count() <<endl;weak_ptr<int>wp(p);cout << "p.use_count():" << p.use_count() << endl;cout << "wp.use_count():" << wp.use_count() << endl;

输出结果：

p.use_count():3
p.use_count():3
wp.use_count():3

由于对象可能不存在，我们不能使用weak_ptr直接访问对象，必须调用lock。次函数检查weak_ptr指向的对象是否仍存在。

if(shared_ptr<int>np=wp.lock()){ //如果np不为空则条件成立
//在if中，np与p共享对象
}

动态数组

new和数组

int *pia = new int[10];//分配10个int，pia指向第一个int

分配一个数组会得到一个元素类型的指针。

我们还可以提供一个元素初始化器的花括号列表：

释放动态数组

delete p;//p必须指向一个动态分配的对象或为空
delete [] p;//p必须指向一个动态分配的数组或为空，
//数组中的元素按逆序进行销毁，即，最后一个元素首先被销毁，
//然后是倒数第二个，以此类推

智能指针和动态数组

标准库提供了一个可以管理new分配的数组的unique_ptr版本。

unique_ptr<int[]>up(new int[10]);
up.release();//自动用delete[]销毁其指针

指向数组的unique_ptr

与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：

shared_ptr<int>sp(new int[10],[](int *p){delete[]p;});
sp.reset();//使用我们提供的lambda释放数组，它使用delete[]释放数组

如果未提供删除器，这段代码将是未定义的。默认情况下，shared_ptr使用delete销毁它指向的对象。

连接两个字符串

代码：

	const char *c1 = "hello";const char *c2 = "world";char *r = new char[strlen(c1)+ strlen(c2)+1];strcpy(r,c1);strcat(r, c2);cout << r << endl;string s1 = "hello";string s2 = "world";strcpy(r,(s1+s2).c_str());cout << r << endl;

输出结果：

helloworld
helloworld

allocator类

new有一些灵活性上的局限，其中一方面表现在它将内存分配和对象构造组合在了一起，这可能会导致不必要的浪费。
标准库allocator类定义在头文件memory中。它帮助我们将内存分配和对象构造分离开来。它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。

标准库allocator类及其算法

allocator分配未构造的内存

还未构造对象的情况下就使用原始内存是错误的。
为了使用allocate返回的内存，我们必须用construct构造对象。使用未构造的内存，其行为是未定义的。

当我们用完对象后，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。

allocator算法

类似copy，uninitialized_copy返回（递增后的）目的位置迭代器，因此，一次uninitialized_copy调用会返回一个指针，指向最后一个构造的元素之后的位置。