[C++高频精进] 内存管理：动态内存

核心要点速览

• 动态内存：运行时手动分配，需手动释放（否则泄漏）；new/delete 自动调用构造 / 析构，需与 new []/delete [] 严格匹配
• 智能指针（C++11+，<memory>）：RAII 机制自动管理内存，unique_ptr（独占）、shared_ptr（共享，引用计数）、weak_ptr（解循环引用）
• 常见问题：内存泄漏（未释放）、野指针（未初始化）、悬空指针（指向已释放内存）

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一、动态内存的分配与释放

核心是 “分配 - 使用 - 释放” 闭环，C++ 推荐用 new/delete，需严格匹配使用。

1. C vs C++ 分配释放方式对比

对比维度	C（malloc/free）	C++（new/delete）
类型安全	返回void*，需手动强转（不安全）	返回对应类型指针（无需转换，安全）
构造 / 析构	不调用（仅操作内存）	自动调用构造（new）/ 析构（delete）
数组支持	需手动计算总大小（n*sizeof(T)）	直接new T[n]（自动计算大小）
分配失败	返回NULL	默认抛bad_alloc，可指定nothrow返回NULL
重载扩展	不可重载	可重载operator new/operator delete定制分配

2. 匹配规则

• 单个对象：new T → delete ptr（匹配单个构造 / 析构）
• 数组对象：new T[n] → delete[] ptr（匹配 n 次构造 / 析构）
• 不匹配后果：
  • delete释放new[]：仅第一个元素析构，其余资源泄漏，可能崩溃
  • delete[]释放new：错误读取数组长度，多次析构，破坏内存状态

3. 底层执行流程

new 的主要步骤

1. 调用operator new(sizeof(T))：分配原始内存（底层通常调用 malloc）
2. 调用构造函数：new(p) T(args)（placement new，在指定内存构造对象）
3. 返回对象指针

delete 的主要步骤

1. 调用析构函数：p->~T()（清理对象资源）
2. 调用operator delete(p)：释放内存（底层通常调用 free）

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二、常见动态内存问题

1. 内存泄漏

• 定义：动态内存不再使用但未释放，永久占用内存
• 核心原因：忘记释放、指针被重赋值（地址丢失）、异常导致释放代码未执行
• 解决方案：用智能指针、遵循 “谁分配谁释放”、RAII 机制（对象析构自动释放）

2. 野指针

• 定义：未初始化的指针（指向随机内存）
• 危害：解引用导致未定义行为（崩溃、数据错乱）
• 避免方案：定义时初始化（int* p = nullptr;），释放后置为nullptr

3. 悬空指针

• 定义：指向已释放内存的指针（地址未置空）
• 危害：解引用访问无效内存（逻辑错误或崩溃）
• 避免方案：释放后立即置nullptr，避免重复释放

野指针与悬空指针对比

类型	本质	产生场景
野指针	未初始化的指针	int* p;（未赋值）
悬空指针	指向已释放内存的指针	delete p; 后未置 nullptr

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三、智能指针（C++11+，自动内存管理）

基于 RAII 机制，析构时自动释放内存，彻底解决手动管理的缺陷。

1. unique_ptr：独占所有权

• 特性：同一时间仅一个unique_ptr指向内存，不可复制（禁用拷贝构造 / 赋值），可通过std::move转移所有权
• 适用场景：单一所有者的动态内存（如局部动态对象、函数返回动态对象）
• 补充：
  • 零额外内存开销（仅封装原始指针）
  • 支持数组管理：unique_ptr<T[]>（自动调用 delete[]）
  • 自定义删除器：用于管理非内存资源（如文件、锁）

auto arr = make_unique<int[]>(5); // 管理5个int的数组
arr[0] = 10; // 支持[]操作符

2. shared_ptr：共享所有权

• 特性：多个shared_ptr共享同一内存，通过控制块维护引用计数（计数为 0 时自动释放）
• 控制块内容：引用计数、弱引用计数、删除器、分配器
• 适用场景：多所有者的动态内存（如共享资源、容器中存储动态对象）
• 补充：
  • 优先使用 make_shared<T>()：一次性分配对象 + 控制块（高效，减少内存碎片），避免 shared_ptr<T>(new T())（两次分配）
  • 线程安全：引用计数增减是原子操作，但对象读写需额外同步

3. weak_ptr：解决循环引用

• 特性：弱引用（不增加引用计数），仅观测shared_ptr管理的内存，不影响生命周期
• 核心用途：解决shared_ptr的循环引用问题（如 A 和 B 互相持有shared_ptr，导致计数无法归零）
• 主要操作：lock()方法获取shared_ptr（有效则返回非空，无效则返回空）
• 循环引用示例与解决方案：

class A { public: shared_ptr<B> b; };
class B { public: shared_ptr<A> a; };
// 循环引用：a和b的引用计数均为2，析构时无法归零，内存泄漏
shared_ptr<A> a = make_shared<A>();
shared_ptr<B> b = make_shared<B>();
a->b = b;
b->a = a;
// 解决方案：将其中一个改为weak_ptr（如B的a改为weak_ptr<A>）

4. 智能指针使用陷阱

• 避免用同一原始指针初始化多个 shared_ptr（导致重复释放）
• 避免暴露原始指针（get() 方法）：外部保存后可能导致悬空
• unique_ptr 转移所有权后，原指针失效（需避免再次使用）

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四、问答

智能指针的底层实现原理？

• 智能指针是类模板，封装原始指针，通过 RAII 机制在析构时自动释放内存。unique_ptr禁用拷贝实现独占；shared_ptr通过控制块存储引用计数，计数为 0 时释放；weak_ptr指向控制块，不增减计数，用于解循环引用。