从0开始学C++ 第二十五课：C++中的资源管理与智能指针

第二十五课：C++中的资源管理与智能指针

学习目标：

• 理解动态内存管理的原理与实践。
• 掌握智能指针的概念、用途及其在动态内存管理中的应用。

  学习内容：

  1. 动态内存管理基础：

     • C++程序在运行时分配的内存主要分为两种：自动存储（如局部变量）和动态存储（使用动态内存分配）。
     • 使用new操作符可以在堆上分配内存，它返回指向新分配类型的指针。使用delete操作符释放由new分配的内存。

       int* ptr = new int;    // 分配单个整数
       *ptr = 5;              // 给分配的整数赋值
       delete ptr;            // 释放内存
       ptr = nullptr;         // 将ptr设置为nullptr，防止悬空指针
       

       • 对于数组的动态分配，使用带有方括号的new和delete。

         int* array = new int[10];   // 分配10个整数的数组
         delete[] array;              // 释放整个数组
         

         • 动态内存管理的问题：
           • 内存泄漏：忘记释放内存导致程序占用越来越多的内存。
           • 悬空指针：释放内存后继续使用原来的指针。
           • 双重删除：对同一个内存地址调用两次delete。

           • 智能指针简介：

             • 智能指针是一种对象，它像常规指针一样使用，但会在适当的时候自动释放它所管理的资源。这些指针是模板类，定义在头文件中。

             • std::unique_ptr:

               • std::unique_ptr提供了独占的内存所有权模型。一旦std::unique_ptr对象被销毁，它所指向的对象也会被自动销毁。
               • std::unique_ptr不支持拷贝和赋值，确保同一时间只有一个unique_ptr指向特定资源。
               • 通常使用std::make_unique函数创建std::unique_ptr实例。

                 std::unique_ptr uptr = std::make_unique(10); // 使用make_unique
                 

               • std::shared_ptr:

                 • std::shared_ptr使用引用计数机制来确保多个指针可以共享同一资源的所有权。
                 • 当最后一个shared_ptr被销毁时，资源会被自动释放。
                 • 通常使用std::make_shared函数创建std::shared_ptr实例。

                   std::shared_ptr sptr = std::make_shared(20); // 使用make_shared
                   

                 • std::weak_ptr:

                   • std::weak_ptr设计用来解决std::shared_ptr可能导致的循环引用问题。
                   • std::weak_ptr不控制对象的生命周期，在需要时通过调用lock方法尝试获取std::shared_ptr来访问资源。

                     std::weak_ptr wptr = sptr; // sptr是一个shared_ptr
                     if (std::shared_ptr sptr_locked = wptr.lock()) {
                         // 使用sptr_locked访问资源
                     } else {
                         // 资源已经被释放
                     }
                     

  练习题：

  编写一个程序，创建一个std::shared_ptr管理的int数组。使用std::shared_ptr和std::weak_ptr演示资源共享和弱引用的概念。

  #include 
  #include 
  int main() {
      // 创建一个shared_ptr管理的int数组
      std::shared_ptr sptr(new int[3]{1, 2, 3}, std::default_delete());
      // 创建一个weak_ptr指向同一个数组
      std::weak_ptr wptr(sptr);
      // 使用lock()尝试获取一个shared_ptr
      if (auto shared = wptr.lock()) {
          for (int i = 0; i < 3; ++i) {
              std::cout << shared[i] << ' ';
          }
          std::cout << '\n';
      } else {
          std::cout << "资源已释放。\n";
      }
      // shared_ptr离开作用域，数组被自动释放
      return 0;
  }
  // 预计输出效果
  // 1 2 3
  

  答案解析：

  本练习中，我们首先创建了一个由std::shared_ptr管理的整数数组。然后，我们创建了一个std::weak_ptr，指向相同的数组。通过lock方法尝试获取std::shared_ptr，如果资源仍然存在，我们输出数组的内容。当最后一个std::shared_ptr被销毁时，数组资源也会被自动释放。

  目录

  第二十六课：理解C++中的Lambda表达式