【C/C++】动态内存分配：从 C++98 裸指针到现代策略

C++ 动态内存分配：从 C++98 裸指针到现代策略

1. 为什么深入研究动态内存

1.1 灵活性与生存期控制

静态／栈分配受限于编译时尺寸和作用域，动态内存允许运行时确定大小，可跨函数保留对象。当需要处理用户输入、缓存数据或实现复杂结构（如树、图）时动态分配不可或缺。

1.2 类型安全与 RAII

现代 C++ 强调 RAII（Resource Acquisition Is Initialization），即资源在对象初始化时获取，在析构时释放，避免内存泄漏、异常安全和悬垂指针。

1.3 性能和碎片管理

频繁的分配和释放会导致碎片化与性能问题，了解 allocator、arena 和 PMR 能帮助构建高性能系统（如游戏引擎、嵌入式系统、网络服务）。

2. C++98：裸指针 new/delete

2.1 基本用法

int *p = new int(42);
int *a = new int[100];
delete p;
delete[] a;

• new 调用构造函数，失败抛出 std::bad_alloc。
• 忘用 delete[] 会引 undefined behavior。
• 异常早起泄露内存、悬垂指针。

2.2 使用 malloc/free

MyClass* m = (MyClass*)malloc(sizeof(MyClass));
new(m) MyClass();     // placement new
...
m->~MyClass();
free(m);

• 不安全、易出错、不调用构造/析构。
• 极少在 C++ 使用，特殊场景才用 placement new。

3. 现代 C++：RAII 与智能指针

3.1 RAII 原理

RAII 是指资源获取与对象生命周期绑定，C++ 智能指针利用此原则在析构时自动释放内存，从而避免泄漏(turn0search10)。

3.2 std::unique_ptr

auto up = std::make_unique<int>(42);
auto arr = std::make_unique<int[]>(100);

• 独占所有权，禁止复制，仅支持移动。
• 出函数即析构，清理自动完成(turn0search16)。

3.3 std::shared_ptr 与 std::weak_ptr

auto sp = std::make_shared<MyClass>(args...);
std::weak_ptr<MyClass> wp = sp;

if(auto locked = wp.lock()){
    // 使用 locked
}

• 引用计数，最后一个析构时释放资源。
• weak_ptr 防止循环引用(turn0search20)。

3.4 智能指针推荐

• 默认用 unique_ptr，轻量且效率高。
• 多处共享则 shared_ptr，慎防循环引用。
• 弱引用场景对应 weak_ptr。

4. 容器替代裸数组

4.1 std::vector

std::vector<int> v;
v.reserve(100); // 预分配避免扩容
for(int i=0; i<100; i++) v.push_back(i);

• 自动管理内存、异常安全（commit or rollback）。
• 推荐替代裸指针数组、新增移植性与维护性。

4.2 智能数组 unique_ptr<T[]>

auto arr = std::make_unique<char[]>(n);

• 用于简单数组，不带完善容器接口。
• 缺少自动扩容机制，不适合复杂数据结构。

5. 高级：Allocators 与 PMR

现代 C++ 引入 allocator 和 polymorphic allocator（PMR），提升控制与性能。

5.1 allocator 模型

• C++ 标准容器模板接受 allocator 用于分配策略。
• 自定义 allocator 后，可实现内存池、arena 等高性能策略。

5.2 PMR 系统（C++17+）

• std::pmr::memory_resource 为抽象基类，可继承实现定制行为(turn0search7)。
• 四种默认资源：new_delete_resource(), null_memory_resource(), monotonic_buffer_resource, synchronized_pool_resource, unsynchronized_pool_resource(turn0search17)。

5.3 monotonic_buffer_resource

• 基于 bump allocator，分配快但不回收，析构时才释放全部资源(turn0search1, turn0search11).
• 适用于生命周期结束统一释放的场景，如一次请求生命周期，避免释放开销。

示例

std::array<std::byte, 4096> buf;
std::pmr::monotonic_buffer_resource pool(buf.data(), buf.size());
std::pmr::vector<std::pmr::string> vs(&pool);

vs.emplace_back("hello");
vs.emplace_back("world");

所有内容都分配在 buf 和上游资源，无释放开销。

5.4 性能对比

• monotonic_buffer_resource 分配极快，远优于 new_delete_resource(turn0search13).
• 但增长无回收，适合一次性分配使用完毕的场景。
• synchronized_pool_resource 提供线程安全池，缓解碎片和性能问题。

6. 性能与碎片管理

6.1 裸指针性能比较

C++98 直接用 new/delete 性能差且易碎裂，频繁调用慢、碎片化严重。

6.2 PMR 与 pool 优势

• pool 避免碎片、提升缓存亲和度。
• monotonic_buffer_resource 适合短生命周期，效率高(turn0search11).
• 使用自定义 allocator 可进一步优化内存布局和线程安全。

7. 实战案例

7.1 缓存请求数据

struct RequestHandler {
  std::pmr::monotonic_buffer_resource pool;
  std::pmr::vector<std::pmr::string> messages;
  
  RequestHandler(void* buf, size_t sz)
    : pool(buf, sz), messages(&pool) {}
  
  void handle(){
      messages.emplace_back("OK");
      // 自动回收等候下次请求
  }
};

7.2 智能指针管理图结构

struct Node { int value; std::vector<std::shared_ptr<Node>> children; };
auto root = std::make_shared<Node>();
root->children.push_back(std::make_shared<Node>());

自动清理节点，防止泄漏。

7.3 自定义 allocator 示例略述

自行实现继承 memory_resource 缓存或限额策略，然后传给 polymorphic_allocator<T>。

8. 总结与推荐

参考资料

• RAII 与智能指针解读 ([Stack Overflow][1], [bitesizedengineering.com][2], [LinkedIn][3], [Wikipedia][4], [Stack Overflow][5], [badlydrawnrod.github.io][6])
• PMR 与 monotonic_buffer_resource 原理与示例
• allocator 模型与性能分析

[1]: https://stackoverflow.com/questions/106508/what-is-a-smart-pointer-and-when-should-i-use-one?utm_source=chatgpt.com "What is a smart pointer and when should I use one? - Stack Overflow"
[2]: https://www.bitesizedengineering.com/p/raii-and-smart-pointers-smarter-way?utm_source=chatgpt.com "RAII and Smart Pointers - smarter way to work with your memory"
[3]: https://www.linkedin.com/pulse/polymorphic-allocators-c17-rainer-grimm?utm_source=chatgpt.com "Polymorphic Allocators in C++17 - LinkedIn"
[4]: https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_pointer?utm_source=chatgpt.com "Smart pointer"
[5]: https://stackoverflow.com/questions/44799321/what-is-the-purpose-and-usage-of-memory-resource?utm_source=chatgpt.com "What is the purpose and usage of `memory_resource`?"
[6]: https://badlydrawnrod.github.io/posts/2021/12/30/monotonic_buffer_resource/?utm_source=chatgpt.com "Bump Allocators in C++ - My Badly Drawn Self"