C++ 内存管理库 `<memory>`

<memory> 是 C++ 标准库中的一个头文件，它包含了用于动态内存管理的模板和函数。

在 C++ 中，内存管理是一个重要的概念。动态内存管理允许程序在运行时分配和释放内存，这在处理不确定大小的数据结构时非常有用。然而，不正确的内存管理可能导致内存泄漏、野指针等问题。

<memory> 头文件提供了智能指针等工具，帮助开发者更安全地管理动态内存。

智能指针

智能指针是 <memory> 头文件中的核心内容。它们是 C++11 引入的特性，用于自动管理动态分配的内存。智能指针的主要类型有：

std::unique_ptr：独占所有权的智能指针，同一时间只能有一个 unique_ptr 指向特定内存。
std::shared_ptr：共享所有权的智能指针，多个 shared_ptr 可以指向同一内存，内存在最后一个 shared_ptr 被销毁时释放。
std::weak_ptr：弱引用智能指针，用于与 shared_ptr 配合使用，避免循环引用导致的内存泄漏。

实例

使用 `std::unique_ptr`

实例

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
void doSomething() {
std::cout << "Doing something" << std::endl;
}
};

int main() {
std::unique_ptr<MyClass> myPtr(new MyClass());
myPtr->doSomething(); // 使用智能指针调用成员函数

// 当 main 函数结束时，myPtr 被销毁，自动释放 MyClass 对象的内存
return 0;
}

输出结果：

Doing something

使用 `std::shared_ptr`

实例

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
void doSomething() {
std::cout << "Doing something" << std::endl;
}
};

int main() {
std::shared_ptr<MyClass> myPtr1(new MyClass());
std::shared_ptr<MyClass> myPtr2 = myPtr1;

myPtr1->doSomething(); // 使用 myPtr1 调用成员函数
myPtr2->doSomething(); // 使用 myPtr2 调用成员函数

// 当 myPtr1 和 myPtr2 都被销毁时，MyClass 对象的内存才会被释放
return 0;
}

输出结果：

Doing something
Doing something

使用 `std::weak_ptr`

std::weak_ptr 通常不单独使用，而是与 std::shared_ptr 结合使用，以解决循环引用问题。

实例

#include <iostream>
#include <memory>

class Node {
public:
std::shared_ptr<Node> next;
std::weak_ptr<Node> prev;

Node() : next(nullptr), prev() {}
};

int main() {
std::shared_ptr<Node> node1 = std::make_shared<Node>();
std::shared_ptr<Node> node2 = std::make_shared<Node>();

node1->next = node2;
node2->prev = node1;

// 循环引用，但使用 weak_ptr 避免了内存泄漏
return 0;
}

在这个例子中，node1 和 node2 形成了循环引用。由于 prev 是 weak_ptr，当 node1 和 node2 的 shared_ptr 被销毁时，它们指向的内存也会被正确释放。

分配器

分配器是 <memory> 中的另一重要部分。

分配器用于为容器分配内存，标准库的所有容器都使用分配器来处理内存分配。

std::allocator

std::allocator 是标准分配器，提供了基本的内存分配和释放功能。

实例

#include <memory>
#include <vector>

int main() {
std::allocator<int> alloc;
int* p = alloc.allocate(1); // 分配内存
alloc.construct(p, 42); // 构造对象

std::cout << *p << std::endl;

alloc.destroy(p); // 销毁对象
alloc.deallocate(p, 1); // 释放内存

return 0;
}

其他内存管理工具

std::align

std::align 用于调整指针的对齐方式，以确保所分配内存满足特定对齐要求。

实例

#include <memory>
#include <iostream>

int main() {
alignas(16) char buffer[64];
void* p = buffer;
size_t space = sizeof(buffer);

void* aligned_ptr = std::align(16, sizeof(int), p, space);
if (aligned_ptr) {
std::cout << "Memory aligned\n";
} else {
std::cout << "Memory alignment failed\n";
}

return 0;
}

<memory> 头文件是 C++ 标准库中处理动态内存管理的重要部分。

通过使用智能指针，如 unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr，开发者可以更安全、更有效地管理内存，避免常见的内存管理错误。希望这篇文章能帮助初学者更好地理解和使用 C++ 的 <memory> 头文件。

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