【现代C++】第二部分 C++标准库(5) 动态内存与智能指针、动态数组、文本查询程序

本文属于「现代C++学习实践」系列文章之一，这一系列正式开始于2021/09/04，着重于现代C++（即C++11、14、17、20、23等新标准）和Linux C++服务端开发的学习与实践。众所周知，「C++难就难在：在C++中你找不到任何一件简单的事」。因此，本系列将至少持续到作者本人「精通C++」为止（笑）。由于文章内容随时可能发生更新变动，欢迎关注和收藏现代C++系列文章汇总目录一文以作备忘。

为了方便在PC上运行调试、分享代码文件，我还建立了相关的仓库：https://github.com/memcpy0/Modern-Cxx-Learning-Path。在这一仓库中，你可以看到本人学习C++的全过程，包括C++书籍源码、练习实现、小型项目等。

需要特别说明的是，为了透彻理解和全面掌握现代C++，本系列文章中参考了诸多博客、教程、文档、书籍等资料，限于时间精力有限，这里无法一一列出。部分重要资料的不完全参考目录如下所示，在后续学习整理中还会逐渐补充：

• C++ Primer 中文版（第5版），Stanley B. Lippman、Barbara E. Moo等著，王刚、杨巨峰译，叶劲峰、李云、刘未鹏等审校，电子工业出版社；
• Bjarne Stroustrup老爷子的个人网站。包括Thriving in a Crowded and Changing World: C++ 2006–2020及其中文版——在拥挤和变化的世界中茁壮成长：C++ 2006–2020（一份了解标准化背后故事、以及C++未来发展方向的绝佳材料）
• 侯捷老师的公开课；
  • C++面向对象高级开发上、下：正确理解面向对象的精神和实现手法，涵盖对象模型、关键机制、编程风格、动态分配；
  • STL标准库与范型编程：深入剖析STL标准库之六大部件、及其之间的体系结构，并分析其源码，引导高阶泛型编程。
  • C++新标准C++11/14：在短时间内深刻理解C++2.0的诸多新特性，涵盖语言和标准库两层
  • C++内存管理机制：学习由语言基本构件到高级分配器的设计与实作，并探及最低阶malloc 的内部实现。
  • C++ Startup揭密：C++程序的生前和死后。认识Windows平台下的Startup Code(启动码)，完全通透C++程序的整个运行过程。

目前为止，我们编写的程序中所使用的对象，都有着严格定义的生存期：

• 全局对象在程序启动时分配，在程序结束时销毁；
• 对于局部 static 对象，在第一次使用前分配，在程序结束时销毁；
• 对于局部自动对象，当我们进入其定义所在的程序块时被创建，在离开块时销毁。

对应地，目前为止，我们的程序只使用过静态内存和栈内存：

• 静态内存用来保存局部 static 对象（参见6.6.1节，第185页）、类 static 数据成员（参见7.6节，第268页）以及定义在任何函数之外的变量（即全局对象）。
• 栈内存用来保存定义在函数内的非 static 对象（即局部自动对象）。

分配在静态或栈内存中的对象，由编译器自动创建和销毁：

• static 对象在使用之前分配，在程序结束时销毁；
• 对于栈对象，仅在其定义的程序块运行时才存在。

除了 static 和自动对象外，C++还支持动态分配对象。动态分配的对象的生存期与它们在哪里创建是无关的，只有当显式地被释放时，这些对象才会销毁。

对应地，除了静态内存和栈内存外，每个程序还拥有一个内存池，这部分内存被称作自由空间 free store 或堆 heap 。程序用堆来存储动态分配 dynamically allocate 的对象——即那些在程序运行时分配的对象。动态对象的生存期由程序来控制，当动态对象不被使用时，我们的代码必须显式地销毁它们。

然而，动态对象的正确释放，被证明是编程中极其容易出错的地方。为了更安全地使用动态对象，标准库定义了两个智能指针类型，以管理动态分配的对象。当一个对象应该被释放时，指向它的智能指针可以确保自动地释放它。

---

1. 动态内存与智能指针

在C++中，动态内存的管理是通过一对运算符来完成的：

• new ，在动态内存中为对象分配空间，并返回一个指向该对象的指针；
• delete ，接受一个动态对象的指针，销毁该对象，并释放与之关联的内存。

动态内存的使用很容易出问题，因为确保在正确的时间释放内存是极其困难的。有时我们会忘记释放内存，这种情况下就会产生内存泄露；有时在尚有指针引用内存的情况下，我们就释放了它，这种情况下就会产生引用非法内存的指针。

为了更容易、更安全地使用动态内存，C++11标准库提供了两种智能指针 smart pointer 类型来管理动态对象。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象。新标准库提供的这两种智能指针的区别在于管理底层指针的方式：shared_ptr 允许多个指针指向同一个对象；unique_ptr 则独占所指向的对象。标准库还定义了一个名为 weak_ptr 的伴随类，它是一种弱引用，指向 shared_ptr 所管理的对象。这三种类型都定义在 memory 头文件中。

1.1 shared_ptr 类

类似 vector ，智能指针也是类模板（参见3.3节，第86页）。因此创建一个智能指针时，编译器无法像使用函数模板一样从函数实参推断模板实参，我们必须提供额外的信息——指针可以指向的类型。与 vector 一样，我们在尖括号内给出类型，之后是所定义的这个智能指针的名字：

shared_ptr<string> p1;	  // shared_ptr，可以指向string
shared_ptr<list<int>> p2; // shared_ptr，可以指向int的list

默认初始化的智能指针中保存着一个空指针（参加2.3.2节，第48页），在1.3节中，我们将介绍初始化智能指针的其他方法。

智能指针的使用方式与普通指针类似。解引用一个智能指针以返回它指向的对象（的引用）。如果在一个条件判断中使用智能指针，效果就是检测它是否为空：

// 如果p1不为空，检查它是否指向一个空string
if (p1 && p1->empty())
	*p1 = "hi"; // 如果p1指向一个空string，解引用p1，将一个新值赋予string

表12.1列出了 shared_ptr 和 unique_ptr 都支持的操作：

share_ptr 和 unique_ptr 都支持的操作	操作说明
shared_ptr<T> sp	空智能指针，可以指向类型为 T 的对象，里面保存着一个空指针
unique_ptr<T> up;	同上
p	将 p 用作一个条件判断，若 p 指向一个对象，则为 true
*p	解引用 p ，获取它指向的对象
p->mem	等价于 (*p).mem
p.get()	返回 p 中保存的指针。要小心使用，若智能指针释放了其对象，返回的指针所指向的对象也就消失了
swap(p, q)	交换 p 和 q 中的指针
p.swap(q)	同上

只适用于 shared_ptr 的操作列在表12.2中：

share_ptr 独有的操作	操作说明
make_shared<T>(args)	返回一个 shared_ptr ，指向一个动态分配的类型为 T 的对象，并使用 args 初始化此对象
shared_ptr<T> p(q)	p 是 shared_ptr q 的拷贝。此操作会递增 q 中的计数器。q 中的指针必须能转换为 T*（参加4.11.2节，第143页）
p = q	p 和 q 都是 shared_ptr ，所保存的指针必须能相互转换。此操作会递减 p 的引用计数，递增 q 的引用计数。若 p 的引用计数变为 0 ，则将其管理的原内存释放
p.unique()	若 p.use_count() 为 1 ，返回 true ，否则返回 false
p.use_count()	返回与 p 共享对象的智能指针数量，可能很慢，主要用于调试

1.1.1 make_shared 函数

1.1.2 shared_ptr 的拷贝和赋值

1.1.3 shared_ptr 自动销毁所管理的对象

1.1.4 使用了动态生存期的资源的类

1.1.5 定义 StrBlob 类

1.1.6 StrBlob 构造函数

1.1.7 元素访问成员函数

1.1.8 StrBlob 的拷贝、赋值和销毁

⭐️12.1.1节练习

练习12.1：在此代码的结尾，b1 和 b2 各包含多少个元素？

StrBlob b1;
{
	StrBlob b2 = {"a", "an", "the"};
	b1 = b2;
	b2.push_back("about");
}

练习12.2：编写你自己的 StrBlob 类，包含 const 版本的 front 和 back() 。

练习12.3：StrBlob 需要 const 版本的 push_back 和 pop_back 吗？如果需要，添加进去。否则，解释为什么不需要。

练习12.4：在我们的 check 函数中，没有检查 i 是否大于 0 。为什么可以忽略这个检查？

练习12.5：我们未编写接受一个 initializer_list explicit（参加7.5.4节，第264页）的构造函数。讨论这个设计策略的优点和缺点。

---

1.2 直接管理内存

1.3 shared_ptr 和 new 结合使用

1.4 智能指针和异常

1.5 unique_ptr

1.6 weak_ptr

---

2. 动态数组

2.1 new 和数组

2.2 allocator 类

---

3. 使用标准库：文本查询程序

3.1 文本查询程序设计

3.2 文本查询程序类的定义