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C++ 内存管理

news 2025/9/17 16:34:51

C++ 内存管理是程序设计的核心环节，直接影响程序的性能、稳定性和安全性。C++ 不像 Java、Python 等语言有自动垃圾回收机制，而是需要开发者手动管理动态内存（或通过智能指针等机制自动管理）。

1、C++ 内存分区

内存区域 存储内容 生命周期 管理方式
栈 (Stack) 函数参数、局部变量、函数返回值等 自动管理。在作用域开始时分配，作用域结束时自动释放。 编译器自动生成代码管理，效率极高。
堆/自由存储区 (Heap/Free Store) 动态分配的内存 手动管理。从 new 开始到 delete 结束。 程序员显式控制。分配和释放速度较慢，容易出错。
全局/静态存储区 (Global/Static) 全局变量、静态变量（static）、字面量 整个程序运行时。在 main 开始前初始化，main 结束后销毁。 编译器管理。
常量区 (Constant) 字符串字面量和其他常量 整个程序运行时。 编译器管理。通常不可修改。
代码区 (Code/Text) 程序的二进制代码（函数体） 整个程序运行时。 编译器管理。

图示：

+-----------------------+
|       栈 (Stack)      | <- 高地址，向下增长
+-----------------------+
|          ↓            |
|                       |
|          ↑            |
+-----------------------+
|       堆 (Heap)       | <- 低地址，向上增长
+-----------------------+
| 全局/静态区 (Global)   |
+-----------------------+
|   常量区 (Constants)   |
+-----------------------+
|   代码区 (Code/Text)   |
+-----------------------+

2、栈

  • 特点：
    • 空间较小（通常几 MB），由操作系统自动分配和释放，遵循“先进后出”（FILO）原则。
    • 分配速度极快（仅需移动栈指针），适合存储短期存在的变量（如函数内的局部变量）。
void stackExample() {int x = 10; // `x` 在栈上分配std::string name = "Alice"; // `name` 对象本身在栈上，但其内部的动态数据可能在堆上double data[100]; // 数组 `data` 在栈上分配（如果100很大，可能导致栈溢出）} // 作用域结束，`x`, `name`, `data` 被自动销毁。// `std::string` 的析构函数会被调用，释放它可能占用的堆内存。

注意：不要返回指向栈内存的指针或引用！

int* dangerousFunction() {int localVar = 42;return &localVar; // 严重错误！返回后 localVar 已被销毁，指针悬空。
}

3、堆

  • 特点：
    • 空间较大（通常几 GB），生命周期由开发者控制（需手动申请和释放），分配/释放速度较慢（涉及内存块查找、链表维护等）。
    • 内存地址不连续，频繁分配/释放可能产生内存碎片。

3.1 动态分配与释放：new / delete

new 运算符完成两件事：1) 在堆上分配足够的内存；2) 在该内存上构造对象（调用构造函数）。
delete 运算符也完成两件事：1) 调用对象的析构函数；2) 释放该对象占用的内存。

// 动态分配一个 int，并初始化为 5
int* ptr = new int(5); 
// 动态分配一个 MyClass 对象，调用其构造函数
MyClass* objPtr = new MyClass("Name", 10); // ... 使用 ptr 和 objPtr ...// 释放内存
delete ptr;    // 释放 int
delete objPtr; // 调用 ~MyClass()，然后释放内存
ptr = nullptr; // 良好实践：释放后立即置空，防止悬空指针
objPtr = nullptr;

3.2 分配/释放对象数组

// 动态分配一个包含10个int的数组
int* arrayPtr = new int[10]; 
// 动态分配3个MyClass对象，调用它们的默认构造函数
MyClass* objArrayPtr = new MyClass[3]; // ... 使用数组 ...// 释放数组内存。必须使用 delete[]！
delete[] arrayPtr;     // 正确：释放数组
delete[] objArrayPtr;  // 正确：调用每个元素的析构函数，然后释放内存// delete objArrayPtr; // 灾难性错误！行为未定义。只会调用第一个元素的析构函数，然后错误地释放内存。

3.3 new/delete和malloc/free

C++ 提供两种动态内存管理方式：C 语言兼容的 malloc/free，以及 C++ 特有的 new/delete。

重要规则： 绝对不要混用！ 用 new 分配的内存必须用 delete 释放；用 malloc() 分配的内存必须用 free() 释放。

3.3.1 malloc/free（C 风格）

  • 函数原型：

    void* malloc(size_t size);  // 分配 size 字节的内存，返回 void*（需强转）
void free(void* ptr);       // 释放 ptr 指向的内存（ptr 必须是 malloc 分配的地址）

  • 特点：

    • 仅分配内存，不调用对象的构造函数；释放内存时，不调用析构函数（仅适用于基本类型，不适合类对象）。
    • 需手动计算内存大小（如 malloc(sizeof(int) * 5)）。

  • 示例：

    int* p = (int*)malloc(sizeof(int)); // 分配 int 大小的内存（未初始化）
*p = 10;                            // 手动赋值
free(p);                            // 释放内存（p 变为野指针，建议置空）
p = nullptr;
3.3.2 new/delete（C++ 风格）

new/delete 是 C++ 对动态内存管理的增强，不仅分配/释放内存，还会自动调用对象的构造函数和析构函数，是管理类对象的首选方式。

  • 基本用法：

    // 1. 分配单个对象
MyClass* obj = new MyClass(10);  // 调用 MyClass(int) 构造函数
delete obj;                      // 调用 MyClass 析构函数，释放内存// 2. 分配数组（必须用 new[] 和 delete[] 匹配）
MyClass* arr = new MyClass[5];   // 调用 5 次 MyClass 默认构造函数
delete[] arr;                    // 调用 5 次 MyClass 析构函数，释放数组

  • new 的底层原理：
    new 操作分两步：

    1. 调用 operator new(size_t) 分配内存（类似 malloc）；
    2. 在分配的内存上调用对象的构造函数。

  • delete 的底层原理：
    delete 操作分两步：

    1. 调用对象的析构函数；
    2. 调用 operator delete(void*) 释放内存（类似 free）。

3.4 常见动态内存错误

3.4.1 内存泄漏 (Memory Leak)

分配了内存但忘记释放。
cpp void leak() { int* ptr = new int(100); // ... 使用了 ptr ... return; // 忘记 delete ptr; 内存泄漏！ }

3.4.2 悬空指针 (Dangling Pointer)

指针指向的内存已被释放。
cpp int* ptr = new int(50); delete ptr; // 内存被释放 *ptr = 10; // 错误！ptr 现在是悬空指针，解引用它是未定义行为。

3.4.3 双重释放 (Double Free)

对同一块内存释放两次。
cpp int* ptr = new int(50); delete ptr; delete ptr; // 灾难！未定义行为，通常导致程序崩溃。

3.4.4 野指针 (Wild Pointer)

未初始化的指针。
cpp int* ptr; // 野指针，指向随机地址 *ptr = 10; // 极度危险！未定义行为。

4、全局/静态区

  • 特点：

    • 全局变量和静态变量（包括 static 局部变量）存储于此，程序启动时初始化，结束时销毁。
    • static 局部变量仅在首次进入函数时初始化，生命周期延续到程序结束。

  • 示例：

    int g_var = 10;         // 全局变量，存储在全局区
static int s_var = 20;  // 静态全局变量，存储在全局区void func() {static int s_local = 30; // 静态局部变量，存储在全局区（仅初始化一次）
}

5、常量区

  • 特点：

    • 存储字符串常量（如 "hello"）和 const 修饰的常量，内容只读（修改会导致未定义行为）。

  • 示例：

    const int c_var = 100;   // const 常量，存储在常量区
char* str = "hello";     // "hello" 存储在常量区，str 是栈上的指针

6、常见问题

  1. new/delete 和 malloc()/free() 有什么区别？
    new/delete 关心对象生命周期（构造/析构），而 malloc/free 只关心内存块。绝对不要混用。

  2. 什么是内存泄漏？如何避免？
    动态分配的内存不再被使用，但未被释放，导致内存浪费，长期运行可能耗尽内存。
    避免方法：

    • 优先使用栈对象：让编译器自动管理生命周期。
    • 使用智能指针：这是现代 C++ 最主要的手段。std::unique_ptr（独占所有权）和 std::shared_ptr（共享所有权）会在析构时自动释放内存。
    • 遵循 RAII 原则：将资源（内存、文件句柄等）的获取与对象的构造函数绑定，释放与析构函数绑定。
    • 成对使用 new/delete 和 new[]/delete[]：确保分配和释放方式匹配。
    • 使用工具检测：如 Valgrind、AddressSanitizer (ASan)、Visual Studio 诊断工具等。

  3. 为什么更推荐使用 std::make_shared 而不是直接 new？

    • 异常安全：如果函数参数在表达式求值过程中抛出异常，make_shared 能保证已分配的内存会被释放，而直接 new 可能会泄漏。
    • 性能：std::make_shared 通常只进行一次内存分配，同时容纳对象本身和控制块（引用计数等）。而 shared_ptr(new T(...)) 需要两次分配（一次给对象，一次给控制块）。

  4. 如何从 weak_ptr 安全地访问对象？
    使用 lock() 方法。它会返回一个 std::shared_ptr。如果原始对象还存在，这个 shared_ptr 是有效的；如果已被释放，则返回一个空的 shared_ptr。必须检查返回值。

std::weak_ptr<MyClass> weak = ...;if (auto shared = weak.lock()) { // 检查返回的shared_ptr是否为空// 对象还存在，可以安全使用 sharedshared->doSomething();
} else {// 对象已被释放std::cout << "Object is gone.\n";
}
  1. 什么是悬空指针 (Dangling Pointer) 和野指针 (Wild Pointer)？
    悬空指针：指针指向的内存已被释放，但指针本身未被置空。解引用它是未定义行为
int* ptr = new int(10);
delete ptr; // 内存释放
// ptr 现在是悬空指针
*ptr = 20; // 未定义行为！
ptr = nullptr; // 良好实践：释放后立即置空。

野指针：未被初始化的指针，其值是随机的垃圾地址。

int* ptr; // 野指针
*ptr = 10; // 极度危险！未定义行为。
int* ptr2 = nullptr; // 正确：总是初始化指针。
  1. delete 和 delete[] 的区别是什么？混用会怎样？
    delete：用于释放 new 分配的单个对象。它会调用该对象的析构函数。

delete[]：用于释放 new[] 分配的对象数组。它会调用数组中每个元素的析构函数，然后释放整块内存。

混用的后果：未定义行为。最常见的后果是程序崩溃。

用 delete 释放数组：只会调用第一个元素的析构函数，然后错误地释放内存。

用 delete[] 释放单个对象：会试图析构多个不存在的对象，导致内存结构被破坏。

  1. 什么是 RAII？它在 C++ 内存管理中如何体现？
  • RAII (Resource Acquisition Is Initialization)：资源获取即初始化。是 C++ 最重要的编程理念之一。
  • 核心思想：将资源（内存、文件句柄、锁等）的生命周期与对象的生命周期绑定。
    • 获取资源：在对象的构造函数中完成（例如，std::ifstream 打开文件，std::unique_ptr 分配内存）。
    • 释放资源：在对象的析构函数中完成（例如，std::ifstream 关闭文件，std::unique_ptr 释放内存）。
  • 优势：无论函数是正常返回还是因异常提前退出，局部对象都会在离开作用域时被析构，从而保证资源一定能被释放。智能指针是 RAII 用于内存管理的完美体现。
  1. 设计一个 unique_ptr，你会考虑哪些方面？
    • 封装一个原生指针作为成员。
    • 删除拷贝构造函数和拷贝赋值运算符（= delete）以实现独占语义。
    • 实现移动构造函数和移动赋值运算符（std::move）以支持所有权转移。
    • 在析构函数中调用删除器（默认是 delete）释放资源。
    • 重载 operator* 和 operator-> 以提供指针式的访问。
    • 提供 release(), reset(), get() 等成员函数。
    • （可选）支持自定义删除器（作为模板参数的一部分）。
http://www.wxhsa.cn/company.asp?id=6761

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