C++ 内存管理

C++ 提供了几种内存管理的方式：

1. 栈内存（Stack Memory）：
   • 局部变量（包括函数内的非静态变量）通常存储在栈上。
   • 栈内存由编译器自动分配和释放，因此不需要程序员手动管理。
2. 堆内存（Heap Memory）：
   • 使用 new 运算符在堆上动态分配内存。
   • 使用 delete 运算符释放堆上分配的内存。
   • 程序员必须手动管理堆内存的生命周期，否则可能会导致内存泄漏。
3. 静态存储区（Static Storage Area）：
   • 全局变量和静态变量存储在静态存储区。
   • 它们的生命周期是整个程序的执行期间。
   • 静态存储区由编译器自动管理。
4. 常量存储区（Constant Storage Area）：
   • 存储常量（const 变量）和字符串常量。
   • 程序结束后由系统释放。
5. 其他内存区域：
   • 如代码段（存储程序执行代码）、动态内存映射区域等。

内存管理问题

在 C++ 中，内存管理问题通常源于以下原因：

• 内存泄漏：当使用 new 运算符分配内存后，忘记使用 delete 运算符释放内存。
• 悬挂指针：当删除一个指针指向的对象后，指针本身没有被设置为 nullptr，但继续被使用。
• 野指针：未初始化的指针或指向已删除对象的指针。
• 重复释放：尝试多次释放同一块内存。

智能指针

为了简化内存管理，C++11 引入了智能指针（Smart Pointers），如std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。这些智能指针自动管理内存，并在适当的时候释放内存，从而减少内存泄漏和悬挂指针的风险。

• std::unique_ptr：独占所有权的智能指针，同一时间只能有一个 unique_ptr 指向某个对象。当 unique_ptr 被销毁时（例如离开作用域），它所指向的对象也会被自动删除。
• std::shared_ptr：共享所有权的智能指针，允许多个 shared_ptr 指向同一个对象。当最后一个指向该对象的 shared_ptr 被销毁时，对象才会被删除。
• std::weak_ptr：弱引用智能指针，用于解决 shared_ptr 之间的循环引用问题。它不会增加引用计数，因此不会导致对象无法被删除。

扩展：std::shared_ptr是如何实现引用计数的？

std::shared_ptr 使用引用计数技术来自动管理堆分配的内存，当没有任何 std::shared_ptr 指向一个对象时，该对象会自动被删除。
控制块（Control Block）：
每个 std::shared_ptr 实例并不直接持有它所指向对象的内存，而是持有一个指向控制块的指针。这个控制块包含了它所管理对象的实际指针、引用计数（即当前有多少个 std::shared_ptr 指向这个对象）以及其他可能的信息（如自定义删除器）。
引用计数：
当一个新的 std::shared_ptr 被创建并指向某个对象时，控制块的引用计数会增加。当 std::shared_ptr 被销毁（例如离开作用域）或被重置为指向另一个对象时，控制块的引用计数会减少。
自动删除：
当控制块的引用计数减少到 0 时，意味着没有任何 std::shared_ptr 指向该对象了。此时，控制块会调用其存储的删除器（默认为 delete 操作符）来释放对象所占用的内存。
循环引用：
虽然 std::shared_ptr 在许多情况下都非常有用，但它也存在一个潜在的问题，即循环引用。当两个或多个 std::shared_ptr 相互引用时，它们的引用计数永远不会减少到 0，从而导致内存泄漏。为了解决这个问题，C++11 引入了 std::weak_ptr，它允许程序员创建对对象的弱引用，这些引用不会增加引用计数。
线程安全：
std::shared_ptr 的引用计数操作通常是线程安全的，这意味着多个线程可以安全地访问和修改同一个 std::shared_ptr 实例的引用计数，而不需要额外的同步机制。然而，这并不意味着使用 std::shared_ptr 的所有操作都是线程安全的；程序员仍然需要确保对共享数据的访问是同步的。
自定义删除器：
除了默认的 delete 操作符外，std::shared_ptr 还允许用户指定自定义的删除器。这使得 std::shared_ptr 可以与需要特殊删除逻辑的资源（如文件句柄、互斥锁等）一起使用。
性能考虑：
虽然 std::shared_ptr 提供了方便的内存管理功能，但它也有一些性能开销。由于每个 std::shared_ptr 实例都需要一个额外的控制块来存储引用计数和其他信息，因此使用 std::shared_ptr 的对象通常比使用原始指针或 std::unique_ptr 的对象占用更多的内存。此外，每次增加或减少引用计数时都需要进行原子操作，这也会增加一些性能开销。因此，在不需要共享所有权的场景中，使用 std::unique_ptr 或原始指针通常更为高效。 

内存对齐

另一个与内存管理相关的重要概念是内存对齐（Memory Alignment）。为了提高访问效率，CPU 通常要求数据在内存中的地址是某个值的倍数。如果数据没有正确对齐，CPU 可能需要进行额外的操作来访问这些数据，这会影响程序的性能。C++ 编译器会自动处理内存对齐问题，但程序员也可以使用特定的属性或指令来手动控制内存对齐。

注意事项

• 在使用 new 和 delete 时要格外小心，确保配对使用，并避免野指针和悬挂指针。
• 优先使用智能指针来管理动态分配的内存。
• 了解你的编译器和操作系统的内存管理策略，以便更好地优化你的程序。
• 注意内存对齐问题，避免不必要的性能损失。