C++性能大比拼：std::make_shared与传统new操作符的效率对决

# 1. C++内存管理基础

## 1.1 C++内存管理概述

C++是一种高性能的编程语言，其内存管理对性能有重要影响。程序员必须理解内存分配和释放机制，以确保程序的效率和稳定性。传统上，C++使用new和delete操作符直接管理内存。但C++11引入了智能指针和std::make_shared等工具，简化了内存管理流程，提高了效率和安全性。

## 1.2 C++内存区域的划分

C++程序的内存主要分为五个区域：

- **程序代码区**：存放程序的可执行代码。
- **静态数据区**：存放程序的全局变量、静态变量、常量等。
- **堆区**：动态内存分配区域，由new和delete控制。
- **栈区**：用于存放局部变量，由编译器自动管理。
- **自由存储区**：与堆区类似，但不一定由new和delete直接控制。

## 1.3 内存管理的基本原则

正确管理内存要求遵循以下基本原则：

- **避免内存泄漏**：确保所有分配的内存最终都被释放。
- **防止野指针**：确保指针指向的内存地址被释放后不被访问。
- **最小化内存碎片**：尽量减少内存分配和释放的频率，以防止内存碎片化。

理解这些基础概念和原则，对深入研究C++内存管理至关重要。接下来的章节将详细探讨std::make_shared的内部机制，揭示其在现代C++编程中的优势和局限性。

# 2. std::make_shared的内部机制

## 2.1 std::make_shared的定义和优势

### 2.1.1 std::make_shared的基本概念

在现代C++中，`std::make_shared`是一个被引入C++11标准的函数模板，它是智能指针家族中的一员，与`std::shared_ptr`密切关联。`std::make_shared`用于创建一个`std::shared_ptr`管理的对象，并返回一个`std::shared_ptr`实例。这个函数模板允许我们更高效地分配内存，因为它允许单次内存分配即可同时满足对象存储和引用计数的需要。

`std::make_shared`的出现旨在解决使用原始`new`操作符或`std::shared_ptr`构造函数可能出现的效率和异常安全问题。它通过减少内存分配次数来提高性能，同时也让代码更加简洁明了。

### 2.1.2 std::make_shared与new的性能对比

使用`std::make_shared`相较于使用`new`操作符后包装成`std::shared_ptr`具有显著的优势。这种优势主要体现在以下几个方面：

1. **内存分配效率**：`std::make_shared`一次性完成内存分配，而使用`new`操作符后再通过`std::shared_ptr`接管则需要两次分配，一次分配对象内存，一次分配控制块内存（其中包含引用计数）。

2. **异常安全**：使用`std::make_shared`在异常抛出时可以保证对象和管理它的内存一起被释放，而传统方式可能导致对象被销毁但管理内存未释放，从而造成内存泄漏。

3. **缓存利用率**：`std::make_shared`可以利用CPU缓存局部性原理，提高缓存命中率，因为对象和控制块在一起，它们很可能被CPU缓存线一起加载。

下面是一个简单的代码示例，展示了如何使用`std::make_shared`：

#include <memory>

int main() {
    auto sp = std::make_shared<int>(42);  // 创建一个int对象并用shared_ptr管理
}

## 2.2 std::make_shared的实现原理

### 2.2.1 引用计数机制详解

`std::shared_ptr`通过一个控制块（也称为控制对象）来管理对象的引用计数。这个控制块包含了引用计数以及指向对象的指针。当创建一个`std::shared_ptr`实例时，这个控制块被创建并初始化引用计数为1。每当一个`std::shared_ptr`拷贝构造，赋值或者`std::make_shared`调用时，引用计数都会递增。

当`std::shared_ptr`的实例被销毁时，无论是由于作用域结束还是显式调用`reset`方法，引用计数都会递减。当引用计数降至0时，控制块和它所管理的对象内存将被释放。

### 2.2.2 内存分配策略探究

`std::make_shared`的内存分配策略是为了最大化效率。它通常使用`std::allocate_shared`函数，该函数使用一个分配器来分配足够的内存以存储对象以及管理它的控制块。由于分配是在一起的，因此可以减少内存碎片，并且提高缓存利用率。

在具体实现中，`std::make_shared`可能会选择一个自定义的内存分配策略，例如使用更大的分配块以容纳多个对象和它们的控制块。这种分配策略可以减少内存分配的次数并进一步优化性能。

auto sp = std::allocate_shared<int>(std::allocator<int>(), 42);

## 2.3 std::make_shared的局限性

### 2.3.1 情景分析：std::make_shared的不适用情况

虽然`std::make_shared`在许多场景下都是优选，但也有其局限性。其中之一是当对象的大小很大，且对象生命周期非常短时，`std::make_shared`可能不是最佳选择。因为对象和控制块内存分配在一起，所以即使对象生命周期结束，控制块内存也不会被释放，可能造成不必要的内存占用。

### 2.3.2 std::make_shared的内存使用考虑

另一个需要考虑的情况是异常安全问题。当异常抛出时，`std::make_shared`创建的对象和控制块会被释放，但在某些异常处理场景中，可能需要额外的操作来确保异常安全。例如，如果异常抛出发生在对象构造过程中，那么可能会造成资源的泄露。因此，需要根据具体的应用场景谨慎选择使用`std::make_shared`。

下面是一个表格，总结了使用`std::make_shared`的利弊：

| 利处 | 弊端 |
| --- | --- |
| 单次内存分配提高了性能 | 如果对象生命周期短，可能会造成不必要的内存占用 |
| 异常安全保证 | 在构造函数抛出异常时，控制块和对象内存仍然分配 |
| 缓存利用率高 | 适用于普通情况，但在大对象或特定异常处理时需小心使用 |

通过深入分析`std::make_shared`的工作原理和局限性，开发者可以更好地理解何时使用它以及它带来的潜在优势和风险。在下一章节中，我们将深入探讨`std::make_shared`的实现原理，以及如何在不同的内存分配策略中进行权衡。

# 3. 传统new操作符的内存管理

在现代C++中，虽然`std::make_shared`和智能指针提供了更为先进的内存管理方式，但传统的`new`操作符仍然扮演着不可或缺的角色。本章将深入探讨`new`操作符的用法、内存分配过程、性能考量以及潜在的风险。

## 3.1 new操作符的基本用法

`new`操作符是C++中进行动态内存分配的标准方式。它允许程序在运行时分配内存，并将分配的内存地址返回给指针变量。

### 3.1.1 new与delete的配对使用

使用`new`分配内存后，必须使用`delete`来释放内存，以防止内存泄露。这里是一个简单的例子：

int* p = new int(42); // 分配内存并初始化为42
delete p;             // 释放内存

为了避免忘记使用`delete`释放内存，推荐使用智能指针如`std::unique_ptr`来自动管理内存：

std::unique_ptr<int> p = std::make_unique<int>(42); // 自动分配并初始化为42
                                            // 当p离开作用域时，内存会自动释放

### 3.1.2 new在异常处理中的行为

`new`操作符在内存分配失败时会抛出`std::bad_alloc`异常。这是管理资源的一种安全方式，特别是在处理可能需要大量内存的复杂数据结构时：

try {
    int* p = new int[***]; // 尝试分配大量内存