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现代C++核心特性——内存篇

news 2025/11/5 13:24:02

“modern C++（现代 C++）”这个概念通常是相对“经典 C++”（Classic C++）而言的，主要指从 C++11 开始的一系列语言标准，它们在语法、性能、安全性、并发等方面做出了非常大的改进。是 C++ 历史上最重大的版本更新之一，被称为 “现代C++的起点”。

其主要改进可以分为以下几个方面：

本篇主要讲解内存部分主要特性，往期博客链接：
现代C++核心特性——语法篇-CSDN博客

现代C++核心特性——类型篇-CSDN博客

1 智能指针

（std::shared_ptr, std::unique_ptr, std::weak_ptr）

在传统 C++ 中，我们通常这样动态分配内存：

int* p = new int(5);
delete p;

如果忘记 delete，就会导致内存泄漏；如果多次delete，就会产生悬空指针或程序崩溃。为了解决这些问题，C++11 引入了智能指针类，它能在对象不再使用时自动释放内存，从而减少内存泄漏、悬空指针等错误。

智能指针本质上是一个类模板，它内部包装了一个普通指针，并在析构时自动调用 delete。

std::unique_ptr —— 独占所有权

同一时间只能有一个指针指向某个对象
禁止拷贝，只能移动（move，见1.1.4中移动语义）

std::shared_ptr —— 共享所有权

多个智能指针可以共享同一块堆内存
内部维护一个引用计数器（reference count）
当最后一个指针销毁时，才释放内存

std::weak_ptr —— 弱引用

与 shared_ptr 配合使用
不增加引用计数
用于打破循环引用

2 移动语义

在传统 C++ 中，复制对象时往往会造成性能浪费：

std::vector<int> v1 = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> v2 = v1;  // 调用拷贝构造函数，复制所有元素

如果我们知道 v1 之后不再使用，其实没必要复制，可以“搬运”资源过去，这就是 移动语义。

std::vector<int> v3 = std::move(v1); // 调用移动构造函数

此时：

1. 调用了 std::vector 的 移动构造函数；

2. v3 接管了 v1 的内部资源（例如那块存放元素的堆内存指针）；

3. v1 被“掏空”了，但 并没有被销毁。（v1 仍然处于可用状态：可以安全地调用它的方法、重新赋值、销毁，但它的内容（数据）已经被转移走了，通常处于空或未定义但合法的状态）

内部机制：std::move( )将一个左值显式地转换为右值引用，从而启用移动语义。

作用：解决拷贝效率低的问题，显著提升 STL 容器的性能（如 vector、string）。

在这里补充介绍一下右值引用的概念：

//举个例子：
int a = 10;
int &&r1 = 10;   // ✅ 合法：10 是右值
// int &&r2 = a; // ❌ 错误：不能绑定到左值

万能引用（T&&）是模板推导中一种特殊的右值引用，它可以根据实参类型自动折叠为左值引用或右值引用，是实现完美转发的关键。

出现条件：

// 1. 类型是模板参数形式的 T&&
template <typename T>
void func(T&& arg);   // ✅ 满足条件
// 2. 参数的类型由模板推导得出（不是显式指定类型）
int x = 10;
func(x);      // ✅ T 被推导
func(10);     // ✅ T 被推导
func<int>(10); // ❌ 显式指定T=int，此时是右值引用，不是万能引用

但实际编程过程中，右值很少显式使用，多用于服务移动语义（std::move）和完美转发（std::forward）功能，移动语义我们刚才已经讲过了，接下来再来看看完美转发。

有时候我们写一个包装函数（wrapper），希望它把参数原封不动地传递给另一个函数：

void process(int& x)      { cout << "左值引用版本\n"; }
void process(int&& x)     { cout << "右值引用版本\n"; }template<typename T>
void wrapper(T arg) {       // ❌ 错误示范process(arg);           // 无论传什么，arg 都是左值！
}

包装函数vs普通函数

结合模板和右值引用，实现参数的高效转递：

template<typename T>
void wrapper(T&& arg) {process(std::forward<T>(arg)); // ✅ 完美转发
}
int a = 5;
wrapper(a);    // 输出：左值引用版本
wrapper(10);   // 输出：右值引用版本

内部机制：引用折叠规则让模板可以自动区分左值和右值，从而实现完美转发。