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【C/C++】内存管理详解：从new/delete到智能指针的全面解析

news 来源：原创 2025/7/14 8:42:46

文章目录

- 更多文章
- C/C++中的传统内存管理方式
- - `new`和`delete`运算符
  - `malloc`和`free`函数
  - 传统内存管理的弊端
- 智能指针的崛起
- - 智能指针的定义与作用
  - C++11引入的标准智能指针
- 详解C++标准智能指针
- - `std::unique_ptr`
  - - 特点
    - 使用方法
    - 适用场景
  - `std::shared_ptr`
  - - 特点
    - 使用方法
    - 适用场景
  - `std::weak_ptr`
  - - 特点
    - 使用方法
    - 适用场景
- 智能指针与传统内存管理的比较
- - 内存安全性
  - 性能考量
  - 使用复杂度
- 智能指针的最佳实践
- - 选择合适的智能指针类型
  - 避免循环引用
  - 与传统指针的混用
  - 避免不必要的拷贝
  - 使用`make_*`函数
- 案例教程：使用智能指针管理内存
- - 传统方法实现
  - 使用`std::unique_ptr`重构
  - 使用`std::shared_ptr`的场景
- 更多文章
结语

C/C++中的传统内存管理方式

在深入探讨智能指针之前，我们首先需要了解C/C++中传统的内存管理方式，以便更好地理解智能指针的优势所在。

`new`和`delete`运算符

在C++中，new和delete是用于动态分配和释放内存的运算符。

// 使用new分配内存
int* ptr = new int;// 使用delete释放内存
delete ptr;

通过new，程序员可以在堆上动态分配内存，而通过delete则可以手动释放这部分内存。然而，这种手动管理方式容易导致内存泄漏或悬挂指针等问题。

`malloc`和`free`函数

在C语言中，malloc和free函数用于动态内存分配和释放。

// 使用malloc分配内存
int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));// 使用free释放内存
free(ptr);

malloc函数返回一个void*指针，需要通过类型转换来使用。与new/delete类似，malloc和free也需要开发者手动管理内存，同样面临内存泄漏和其他相关问题。

传统内存管理的弊端

虽然new/delete和malloc/free为程序员提供了灵活的内存管理方式，但其手动管理的特性也带来了诸多弊端：

内存泄漏：如果开发者忘记调用delete或者free释放内存，程序会出现内存泄漏，长时间运行后可能导致系统资源耗尽。
悬挂指针：在释放内存后，指针仍然指向原来的地址，如果再次访问可能导致未定义行为。
异常安全性差：在异常发生时，手动管理的内存释放往往难以保证，容易导致资源泄漏。
代码复杂度高：需要在多个地方进行内存分配和释放，增加了代码的复杂性和维护难度。

这些问题不仅影响程序的稳定性和性能，还增加了开发和调试的难度。因此，寻求一种更安全、更高效的内存管理方式成为现代C++开发的重要课题。

智能指针的崛起

为了应对传统内存管理方式的诸多问题，C++11标准引入了智能指针，作为一种RAII机制，旨在自动管理内存资源，减少内存泄漏和其他相关问题的发生。
在这里插入图片描述

智能指针的定义与作用

智能指针是一种封装了普通指针的类，通过自动管理内存的分配和释放，简化了内存管理的过程。它们利用独占或共享所有权的概念，确保在对象不再使用时，自动释放相关资源，从而提高代码的安全性和可维护性。

智能指针的主要作用包括：

自动内存管理：避免手动调用delete或free，减少内存泄漏的风险。
异常安全：在异常发生时，智能指针能够确保资源被正确释放。
所有权管理：通过不同类型的智能指针，管理资源的独占或共享所有权，提高代码的表达力和安全性。

C++11引入的标准智能指针

C++11标准引入了三种主要的标准智能指针，分别适用于不同的使用场景：

std::unique_ptr：独占所有权，不能被复制，适用于资源的独占管理。
std::shared_ptr：共享所有权，多个shared_ptr可以指向同一资源，通过引用计数管理资源的生命周期。
std::weak_ptr：观察者指针，不增加引用计数，主要用于解决shared_ptr之间的循环引用问题。

这些智能指针的引入极大地简化了内存管理过程，提升了代码的安全性和可维护性。

详解C++标准智能指针

为了全面掌握智能指针的使用，以下将对C++11标准中的三种主要智能指针进行详细解析，包括其特点、使用方法及适用场景。

`std::unique_ptr`

特点

独占所有权：unique_ptr拥有其所指向资源的独占所有权，不能被复制，只能被移动。
轻量级：相比shared_ptr，unique_ptr更为轻量，适用于简单的资源管理场景。
自动释放：当unique_ptr生命周期结束时，自动调用delete释放资源，避免内存泄漏。

使用方法

#include <memory>void uniquePtrExample() {// 创建一个unique_ptrstd::unique_ptr<int> ptr(new int(10));// 访问指针std::cout << "Value: " << *ptr << std::endl;// 转移所有权std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr);if (!ptr) {std::cout << "ptr is now null." << std::endl;}
}

适用场景

资源的独占管理：适用于资源不需要被多个对象共享的场景，如单一对象的内部资源。
RAII模式：在资源管理的RAII模式中，unique_ptr是首选工具。
性能要求高的场景：由于unique_ptr无引用计数，适用于对性能有严格要求的场景。

`std::shared_ptr`

特点

共享所有权：多个shared_ptr可以共同指向同一资源，通过内部的引用计数机制管理资源的生命周期。
引用计数机制：每一个shared_ptr的拷贝都会增加引用计数，销毁时会减少引用计数，当引用计数为零时，自动释放资源。
灵活性高：适用于多个对象需要共同管理同一资源的场景。

使用方法

#include <memory>void sharedPtrExample() {// 创建一个shared_ptrstd::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(20);{// 复制shared_ptrstd::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;std::cout << "Value: " << *ptr2 << ", Use count: " << ptr1.use_count() << std::endl;}// ptr2超出作用域，引用计数减少std::cout << "Use count after ptr2 is destroyed: " << ptr1.use_count() << std::endl;
}

适用场景

资源需要被多个对象共享：如共享的数据缓冲区、共享的资源池等。
复杂的数据结构：如图结构、循环引用的场景（需要结合weak_ptr使用）。
需要控制资源的生命周期：当资源的生命周期需要被多个部分共同管理时。

`std::weak_ptr`

特点

非拥有性观察者指针：weak_ptr不拥有资源的所有权，不影响引用计数。
防止循环引用：在shared_ptr间可能产生的循环引用场景中，通过weak_ptr打破循环，避免内存泄漏。
访问资源需转换：要访问资源，需先将weak_ptr转换为shared_ptr，确保资源在访问期间不会被释放。

使用方法

#include <memory>struct Node {std::shared_ptr<Node> next;std::weak_ptr<Node> prev; // 使用weak_ptr避免循环引用
};void weakPtrExample() {auto first = std::make_shared<Node>();auto second = std::make_shared<Node>();first->next = second;second->prev = first; // weak_ptr，不增加引用计数
}

适用场景

打破循环引用：在涉及双向引用的数据结构中，如双向链表、图等。
缓存系统：实现缓存时，weak_ptr可用于观察但不拥有缓存对象。
临时访问：在需要临时访问资源但不希望延长其生命周期时。

智能指针与传统内存管理的比较

在了解了传统内存管理方式和智能指针的基本概念后，接下来将具体比较二者在内存安全性、性能和使用复杂度等方面的区别，为开发者选择合适的内存管理策略提供参考。

内存安全性

传统方法：

手动管理内存，容易出现内存泄漏、悬挂指针等问题。
开发者需要严格遵循内存分配和释放的规范，增加了出错的可能性。

智能指针：

自动管理内存，减少了人为忘记释放内存的风险。
通过RAII机制，在对象生命周期结束时自动释放资源，提高了内存安全性。
weak_ptr有效防止了shared_ptr的循环引用问题。

性能考量

传统方法：

无额外的性能开销，适用于对性能有极高要求的场景。
但由于手动管理，错误释放内存可能导致不可预测的性能问题。

智能指针：

unique_ptr几乎无额外开销，适用于性能敏感的场景。
shared_ptr由于引用计数机制，存在一定的性能开销，尤其是在高频率的拷贝和销毁操作中。
weak_ptr本身开销较低，但在转换为shared_ptr时需要一定的计算。

使用复杂度

传统方法：

灵活性高，但需要开发者手动管理，增加了代码的复杂性和出错概率。
在复杂的应用场景中，维护手动管理的代码较为困难。

智能指针：

提供了更高层次的抽象，简化了内存管理的流程。
学习曲线相对较低，但需要理解不同智能指针的适用场景和使用方法。
提高了代码的可读性和可维护性，减少了内存管理相关的出错概率。

智能指针的最佳实践

为了充分发挥智能指针的优势，开发者需要遵循一些最佳实践，合理选择和使用智能指针，避免潜在的问题。

选择合适的智能指针类型

std::unique_ptr：当资源拥有权是独占的，且不需要共享时，优先使用unique_ptr。它轻量且效率高，适合大多数独占资源的管理场景。
```
std::unique_ptr<MyClass> ptr = std::make_unique<MyClass>();
```
std::shared_ptr：当资源需要被多个对象共享时，使用shared_ptr。确保没有不必要的共享所有权，以避免引用计数的额外开销。
```
std::shared_ptr<MyClass> ptr1 = std::make_shared<MyClass>();
std::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1;
```
std::weak_ptr：在需要观察但不拥有资源的场景中使用，特别是在打破shared_ptr循环引用时。
```
std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = sharedPtr;
```

避免循环引用

在某些场景，如树形结构、双向链表等，shared_ptr可能导致循环引用，进而引发内存泄漏。此时，应结合weak_ptr使用，打破循环引用。

struct Parent;
struct Child;struct Parent {std::shared_ptr<Child> child;
};struct Child {std::weak_ptr<Parent> parent; // 使用weak_ptr避免循环引用
};

与传统指针的混用

尽可能避免混用智能指针与原始指针，尤其是在管理同一资源时。若确实需要使用原始指针，确保它们仅作为观察者存在，不参与所有权管理。

std::unique_ptr<MyClass> ptr = std::make_unique<MyClass>();
MyClass* rawPtr = ptr.get(); // 仅作为观察者使用

避免不必要的拷贝

对于shared_ptr，避免不必要的拷贝操作，尤其是在高频率的函数调用中，因为每一次拷贝都会增加和减少引用计数，带来性能开销。

// 不推荐
void function(std::shared_ptr<MyClass> ptr);// 推荐
void function(const std::shared_ptr<MyClass>& ptr);

使用`make_*`函数

优先使用std::make_unique和std::make_shared等工厂函数创建智能指针，避免手动使用new，提高代码的安全性和可读性。

auto ptr = std::make_unique<MyClass>();
auto sptr = std::make_shared<MyClass>();

案例教程：使用智能指针管理内存

通过一个实际案例，展示传统内存管理方式与智能指针的应用差异，帮助读者直观理解智能指针的优势。

传统方法实现

假设我们需要实现一个简单的类Person，并在主函数中动态创建和管理Person对象。

#include <iostream>
#include <string>class Person {
public:Person(const std::string& name) : name_(name) {std::cout << "Person " << name_ << " created." << std::endl;}~Person() {std::cout << "Person " << name_ << " destroyed." << std::endl;}void greet() const {std::cout << "Hello, I am " << name_ << "." << std::endl;}private:std::string name_;
};int main() {// 动态分配Person对象Person* person = new Person("Alice");person->greet();// 忘记释放内存，导致内存泄漏// delete person;return 0;
}

问题：

如果忘记调用delete person;，会导致内存泄漏。
在异常发生时，delete可能无法被调用，进一步加剧内存泄漏的问题。

使用`std::unique_ptr`重构

通过使用std::unique_ptr，自动管理Person对象的生命周期，避免内存泄漏。

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>class Person {
public:Person(const std::string& name) : name_(name) {std::cout << "Person " << name_ << " created." << std::endl;}~Person() {std::cout << "Person " << name_ << " destroyed." << std::endl;}void greet() const {std::cout << "Hello, I am " << name_ << "." << std::endl;}private:std::string name_;
};int main() {{// 使用unique_ptr管理Person对象std::unique_ptr<Person> person = std::make_unique<Person>("Bob");person->greet();} // person超出作用域，自动调用deletereturn 0;
}

优势：

自动释放内存，无需手动调用delete。
即使在异常发生时，unique_ptr也能确保资源被正确释放。

使用`std::shared_ptr`的场景

假设我们有多个对象需要共享同一个Person对象，使用std::shared_ptr可以方便地管理共享所有权。

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>class Person {
public:Person(const std::string& name) : name_(name) {std::cout << "Person " << name_ << " created." << std::endl;}~Person() {std::cout << "Person " << name_ << " destroyed." << std::endl;}void greet() const {std::cout << "Hello, I am " << name_ << "." << std::endl;}private:std::string name_;
};void greetPerson(std::shared_ptr<Person> person) {person->greet();
}int main() {// 使用shared_ptr管理Person对象std::shared_ptr<Person> person = std::make_shared<Person>("Charlie");greetPerson(person);std::cout << "Use count: " << person.use_count() << std::endl;return 0;
}

优势：

通过shared_ptr，多个函数或对象可以共享同一个Person对象，而无需担心内存泄漏。
当所有shared_ptr实例被销毁时，资源自动释放。

结语

掌握内存管理不仅是C/C++开发者的必备技能，更是提升编程能力的重要一步。通过理解传统方法与智能指针的优劣，并灵活运用智能指针的各类工具，开发者能够编写出更加健壮、高效的代码，轻松应对复杂的开发挑战。希望本篇文章能够为你在内存管理的道路上提供有力的指导，助你在C/C++编程的世界中游刃有余。

【C/C++】内存管理详解：从new/delete到智能指针的全面解析

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历时3天的蹂躏，总结驱动安装全面教程。步骤一、安装gcc、g和make包 #脚本更新 sudo apt-get update #编译gcc sudo apt-get install gcc #编译g sudo apt-get install g #编译make sudo apt-get install make 注意： gcc、g版本可能会导致显卡驱动安…...

编程日记 2025/7/12 18:50:30

AI大模型如何赋能电商行业，引领变革

目录 1.概述 1.1. 购物推荐系统 1.2. 会员分类与客户细分 1.3. 动态商品定价 1.4. 库存和供应链管理 1.5. 客户服务与体验 1.6. 内容生成与管理 2.AI技术在电商中的创新应用 2.1.淘宝 2.2.京东 2.3.华为 2.4.小米 3.AI技术在提高电商平台销售效率方面发挥的作用 …...

编程日记 2025/7/14 8:12:50

QT6学习第四天感受QT的文件编译

QT6学习第四天感受QT的文件编译使用纯代码编写程序新建工程使用其他编辑器纯代码编写程序并在命令行运行使用 .ui 表单文件生成界面使用自定义 C 窗口类使用现成的QT Designer界面类使用纯代码编写程序我们知道QT Creator中可以用拖拽的方式在 .ui 文件上布局&#xff0c…...

编程日记 2025/7/8 21:16:43

地平线 bev_cft_efficientnetb3 参考算法-v1.2.1

01 概述在自动驾驶感知算法中 BEV 感知成为热点话题，BEV 感知可以弥补 2D 感知的缺陷构建 3D “世界”，更有利于下游任务和特征融合。地平线集成了基于 bev 的纯视觉算法，目前已支持 ipm-based 、lss-based、 transformer-based&#xff…...

编程日记 2025/7/12 13:37:46

【linux】shell脚本

文章目录 1. jar包启动脚本1.1 方式一1.2 方式二 2. 进程关闭脚本3. 操作mysql4. impala建表语句提取5. 监控磁盘存量6. 清日志脚本7. 替换tomcat的启动端口8. 将一行数据按照空格依次读取 1. jar包启动脚本 1.1 方式一 #!/bin/sh RESOURCE_NAME/usr/local/applications/scre…...

编程日记 2025/7/13 17:08:25

构建一个去中心化的零售生态参与者的商业模型

在数字化和去中心化技术快速发展的背景下，传统零售行业正迎来革命性的转型。去中心化零售生态不仅让消费者、商家和内容创作者在同一平台上共同参与价值的创造和分配，还推动了零售体验、数据控制和社会互动的彻底变革。本文将探讨如何构建一个去中心化的…...

编程日记 2025/7/8 5:13:33

Spring Boot开发实战：从入门到构建高效应用

Spring Boot 是 Java 开发者构建微服务、Web 应用和后端服务的首选框架之一。其凭借开箱即用的特性、大量的自动化配置和灵活的扩展性，极大简化了开发流程。本文将以实战为核心，从基础到高级，全面探讨 Spring Boot 的应用开发。一、Spring B…...

编程日记 2025/7/10 14:00:48

MyBatis（mybatis_plus）中TypeHandler的使用教程

MyBatis（mybatis_plus）中TypeHandler的使用教程一.TypeHandler作用及其使用场景在我们平常开发操作数据库时，查询、插入数据等操作行为，有时会报数据类型不匹配异常，就可以得知数据的类型是不唯一的必然是多种不同…...

编程日记 2025/7/14 6:53:28

【C++】IO库（三）：string流

8.3 string 流 sstream 头文件定义了三个类型来支持内存 IO，这些类型可以向 string 写入数据，也可以从 string 读取数据，就像 string 是一个 IO 流一样。 istringstream 从 string 读数据；ostringstream 向 string 写入数据&…...

编程日记 2025/7/13 21:20:58

C# 反射详解

反射是C#中的一个强大特性，允许程序在运行时检查和操作类型和对象的信息。通过反射，你可以获取类型的属性、方法、构造函数等信息，并可以动态创建对象、调用方法或访问属性，甚至可以实现某些框架或库的核心功能。反射的基本概念…...

编程日记 2025/7/14 10:12:38

量化交易系统开发-实时行情自动化交易-8.量化交易服务平台（一）

19年创业做过一年的量化交易但没有成功，作为交易系统的开发人员积累了一些经验，最近想重新研究交易系统，一边整理一边写出来一些思考供大家参考，也希望跟做量化的朋友有更多的交流和合作。接下来会对于收集整理的33个量化交易服…...

编程日记 2025/7/12 18:04:47

文章目录

更多文章

C/C++中的传统内存管理方式

new和delete运算符

malloc和free函数

传统内存管理的弊端

智能指针的崛起

智能指针的定义与作用

C++11引入的标准智能指针

详解C++标准智能指针

std::unique_ptr

特点

使用方法

适用场景

std::shared_ptr

特点

使用方法

适用场景

std::weak_ptr

特点

使用方法

适用场景

智能指针与传统内存管理的比较

内存安全性

性能考量

使用复杂度

智能指针的最佳实践

选择合适的智能指针类型

避免循环引用

与传统指针的混用

避免不必要的拷贝

使用make_*函数

案例教程：使用智能指针管理内存

传统方法实现

使用std::unique_ptr重构

使用std::shared_ptr的场景

更多文章

结语

相关文章：

`new`和`delete`运算符

`malloc`和`free`函数

`std::unique_ptr`

`std::shared_ptr`

`std::weak_ptr`

使用`make_*`函数

使用`std::unique_ptr`重构

使用`std::shared_ptr`的场景