C++ 动态内存
在 C++ 中，“动态内存”通常指在运行时从堆（heap）上分配和释放的内存空间，它与栈上分配的自动变量相对。合理使用动态内存可以让程序在运行时根据需要灵活调整资源，但不当使用也极易导致内存泄漏、悬空指针和资源竞用等问题。下面从基本机制到高级管理分章介绍。
1. 原始操作：new / delete
1.1 单对象分配与释放
// 分配一个 int，初始值为 42
int* p = new int(42);
// 使用
std::cout << *p << "\n"; // 输出 42
// 释放
delete p;
p = nullptr; // 避免成为悬空指针
1.2 数组分配与释放
// 分配一个长度为 N 的 double 数组
size_t N = 100;
double* arr = new double[N]; // 元素未初始化
// 使用 arr[i]
// 释放时必须用 delete[]
delete[] arr;
arr = nullptr;
- 注意：
new[]必须配对delete[]，否则可能只调用首元素析构，或产生未定义行为。
2. C 风格接口：malloc / free
#include <cstdlib>
int* q = static_cast<int*>(std::malloc(sizeof(int) * N));
if (!q) throw std::bad_alloc(); // malloc 失败返回 nullptr
// 使用 q[i]
// 释放
std::free(q);
q = nullptr;
malloc/free属于 C 标准库，不调用构造/析构函数；在 C++ 中一般不推荐直接使用，除非与 C 代码互操作。
3. 智能指针（Smart Pointer）
为了避免手动 new/delete 带来的管理负担，C++11 起引入智能指针，通过 RAII 保证资源自动释放。
3.1 std::unique_ptr
- 独占所有权：一个
unique_ptr拥有某块内存，离开作用域或被重置时自动delete。 - 禁止拷贝，可 移动。
#include <memory>
auto up = std::make_unique<MyClass>(args…);
// 等价于: unique_ptr<MyClass> up(new MyClass(args…));
up->doSomething();
// 转移所有权
auto up2 = std::move(up);
if (!up) {
// up 现在为空
}
// 离开作用域时自动 delete up2 所指对象
3.2 std::shared_ptr / std::weak_ptr
- 共享所有权：多个
shared_ptr可以指向同一对象，通过引用计数管理生命周期；最后一个shared_ptr销毁时释放资源。 - 配合
weak_ptr：解决循环引用导致的泄漏问题。
#include <memory>
auto sp1 = std::make_shared<MyClass>(args…);
{
auto sp2 = sp1; // 引用计数 +1
// …
} // sp2 离开作用域，计数 -1
// 若要观察对象但不增加计数，用 weak_ptr
std::weak_ptr<MyClass> wp = sp1;
if (auto sp3 = wp.lock()) {
sp3->doSomething();
} else {
// 对象已被销毁
}
shared_ptr对象大小稍大（内部含控制块指针），并有原子操作开销。
4. RAII 与容器封装
- 尽量使用标准容器（
std::vector,std::string,std::map…）来管理动态分配的数据，容器析构时会自动释放内部资源。 - 对于非内存资源（文件句柄、锁等），也可封装成对象，在构造时获取资源、析构时释放（RAII 原则）。
// 例：将 FILE* 封装
class File {
FILE* f_;
public:
File(const char* path, const char* mode)
: f_(std::fopen(path, mode)) {
if (!f_) throw std::runtime_error("open failed");
}
~File() {
if (f_) std::fclose(f_);
}
// 禁止拷贝，允许移动
File(const File&) = delete;
File(File&& o) noexcept : f_(o.f_) { o.f_ = nullptr; }
FILE* get() const { return f_; }
};
5. 常见错误与防范
| 问题类型 | 原因 | 防范措施 |
|---|---|---|
| 内存泄漏 | new 后未 delete | 用智能指针或容器管理；代码审计 |
| 悬空指针 | delete 后仍使用指针 | delete 后置空指针；尽量减少裸指针 |
| 重复释放 | 同一指针多次 delete | 统一所有权；使用智能指针 |
| 越界访问 | 对数组或缓冲区下标检查不足 | 使用容器的 .at()；手动检查边界 |
| 对象部分析构 | new[] vs delete、new vs delete[] 匹配错误 | 严格配对；尽量避免裸数组 |
| 循环引用 | 两个或以上 shared_ptr 互相引用，计数永不为零 | 用 weak_ptr 打破循环 |
6. 自定义分配器
在性能敏感或需要特殊对齐、内存池策略时，可为容器或对象提供自定义分配器。
template<typename T>
struct MyAllocator {
using value_type = T;
T* allocate(std::size_t n) {
return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
}
void deallocate(T* p, std::size_t) noexcept {
::operator delete(p);
}
};
std::vector<int, MyAllocator<int>> v;
- 自定义分配器需符合 Allocator 概念，包含
allocate、deallocate、value_type等。
7. 调试与工具
- Valgrind / AddressSanitizer：检测泄漏、越界、未初始化读写等。
- Static Analyzer：Clang-Tidy、Visual Studio Code Analysis 可静态检测潜在内存错误。
- 智能指针覆盖率：在 code review 中优先考虑智能指针模式。
小结
- 原始方式：
new/delete、malloc/free，但易错需谨慎配对。 - 智能指针：
unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr，结合 RAII 自动管控生命周期。 - 容器优先：优先使用 STL 容器管理动态内存，减少手动操作。
- 资源封装：将所有资源（内存、文件、锁）封装在对象内，析构时自动释放。
- 检测工具：借助动态工具和静态分析，及时发现内存相关错误。
掌握以上策略，便能在 C++ 项目中安全、高效地使用动态内存。