内存管理（C++)

1. 内存管理概述

• 为什么要管理内存？
  C++ 是一门允许程序员直接控制内存分配与释放的语言。合理的内存管理可以：

  • 提高性能（减少系统调用、避免频繁分配/释放）

  • 降低内存占用（释放不再使用的对象）

  • 防止程序崩溃（访问无效内存）

• 手动 vs 自动

  • 自动管理：局部变量、函数参数等，由编译器在作用域结束时自动释放。

  • 手动管理：通过 new/delete、malloc/free（C 风格）等方式，在堆上分配和释放内存，需要程序员自己管理。

2. 栈（Stack）内存

• 分配与释放

  • 在函数内部声明的局部变量，编译器会在函数调用时为其在栈上分配空间，函数返回时自动释放。

属性	描述
速度	非常快，分配/释放只需调整栈指针
生命周期	与作用域一致，作用域结束即释放
大小限制	受操作系统或编译器栈大小限制（几 MB）
访问方式	LIFO（后进先出）

• 示例

void foo() {int a = 42;         // 在栈上分配 sizeof(int)double arr[100];    // 在栈上分配 100 * sizeof(double)
} // 离开作用域时，a 和 arr 自动销毁

3. 堆（Heap）内存

• 分配与释放

  • 通过 new（或 malloc）在运行时动态分配，必须显式调用 delete（或 free）释放。

属性	描述
速度	相对慢，需要操作系统/运行时参与
生命周期	直到显式释放（或程序结束）
大小限制	受限于系统可用内存，通常远大于栈
管理方式	任意顺序分配/释放，容易产生碎片

• 示例

void bar() {int* p = new int(5);       // 在堆上分配一个 int 并初始化为 5MyClass* obj = new MyClass; // 在堆上分配一个对象，调用其默认构造函数// … 使用 p、obj …delete p;    // 释放堆内存，调用对应析构delete obj;  // 释放对象内存
}

4. new / delete 操作符

• new

  • 分配内存并调用构造函数

  • 返回指向所分配类型的指针，如果分配失败，会抛出 std::bad_alloc（可以改用 new(nothrow) 返回 nullptr）

• delete

  • 调用析构函数并释放内存

  • 对应数组要用 delete[]

• 示例

// 单个对象
int* pi = new int(10);
delete pi;// 对象数组
double* pd = new double[50];
delete[] pd;

• 注意事项

  • 成对使用：new ↔ delete，new[] ↔ delete[]

  • 不要对同一块内存重复 delete（双重释放）

  • 不要释放非堆内存（如栈内存、静态/全局区）

  • 释放后指针要置 nullptr，防止悬空指针

5. 内存泄漏基础及成因

• 什么是内存泄漏？

  • 程序在堆上分配了内存但没有对应的释放，使得这部分内存无法再被程序利用，长时间运行可能耗尽可用内存。

• 常见成因

  • 遗漏 delete

  void f() {int* p = new int[100];// …忘记 delete[] p…
  } // 离开作用域，p 指针销毁，但堆内存仍然保留
  

  • 异常导致提前返回

  void g() {MyClass* obj = new MyClass;if (something_wrong()) return; // 忘记 delete objdelete obj;
  }
  

  • 多重所有权、混乱释放时机
    多个指针指向同一块内存，但无法确定何时释放；最终没人负责调用 delete。

  • 循环引用（智能指针场景）
    std::shared_ptr 循环引用时，引用计数永不归零。

6. 避免内存泄漏的最佳实践

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）

• 将资源（包括内存）封装在对象生命周期内，让构造函数申请、析构函数释放。

class Buffer {
public:Buffer(size_t n): data_(new char[n]) {}~Buffer() { delete[] data_; }
private:char* data_;
};void h() {Buffer buf(1024); // 离开作用域自动释放
}

智能指针（C++11 及以后）

• std::unique_ptr：独占所有权，自动释放

• std::shared_ptr：共享所有权，引用计数归零时释放

• std::weak_ptr：配合 shared_ptr 打破循环引用

#include <memory>void k() {auto up = std::make_unique<MyClass>(args…);auto sp = std::make_shared<MyClass>(args…);
} // up、sp 离开作用域自动 delete

异常安全

• 在有可能抛出异常的上下文中，尽量使用智能指针或容器而非裸指针。

工具检测

• Valgrind（Linux）

• AddressSanitizer（编译器选项 -fsanitize=address）

• 定期进行内存检查，捕获早期泄漏。

小结

• 栈：分配/释放迅速，生命周期受作用域控制，但容量有限。

• 堆：容量大，可动态管理，但需显式 new/delete，且分配释放较慢。

• new/delete：必须成对使用，注意异常安全与数组版本。

• 内存泄漏：由遗漏释放、异常分支、循环引用等导致，会积累“僵尸”内存。

• 最佳实践：遵循 RAII、优先使用智能指针、借助检测工具，保证代码健壮、可靠。