目錄

一、C++ 內存的基本概念?

1.1 內存的物理與邏輯結構?

1.2 C++ 程序的內存區域劃分?

二、棧內存分配?

2.1 棧內存的特點?

2.2 棧內存分配示例?

三、堆內存分配?

3.1 new和delete操作符?

4.2 內存泄漏與懸空指針問題?

4.3 new和delete的重載?

四、智能指針與動態內存管理?

4.1 智能指針的概念?

4.2 std::unique_ptr?

4.3 std::shared_ptr?

4.4 std::weak_ptr?

五、總結?

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在 C++ 編程中，內存管理是一個至關重要的環節。合理的內存分配和管理不僅能提高程序的性能，還能避免諸如內存泄漏、懸空指針等嚴重問題。C++ 提供了多種內存分配方式，從基礎的棧內存分配到靈活的堆內存分配，每種方式都有其特點和適用場景。

一、C++ 內存的基本概念?

1.1 內存的物理與邏輯結構?

在計算機系統中，物理內存是實際的硬件存儲設備，用于存儲程序運行時的數據和指令。而邏輯內存則是操作系統為每個進程提供的一個抽象的內存空間視圖，它使得每個進程都認為自己擁有整個系統內存。操作系統通過內存管理單元（MMU）將邏輯地址轉換為物理地址，實現內存的高效管理和保護。?

1.2 C++ 程序的內存區域劃分?

C++ 程序在運行時，其內存空間通常被劃分為以下幾個區域：?

• 棧（Stack）：棧是一塊連續的內存區域，由編譯器自動管理。主要用于存儲局部變量、函數參數、返回地址等。棧的分配和釋放速度非常快，遵循后進先出（LIFO）的原則。?
• 堆（Heap）：堆是一塊不連續的內存區域，用于動態內存分配。程序員通過new和delete操作符在堆上分配和釋放內存。堆內存的管理相對復雜，容易出現內存泄漏等問題。?
• 全局 / 靜態存儲區：用于存儲全局變量和靜態變量。該區域在程序啟動時分配，程序結束時釋放。全局變量和靜態變量根據初始化情況，又分為初始化的全局 / 靜態存儲區和未初始化的全局 / 靜態存儲區（BSS 段） 。?
• 常量存儲區：用于存儲常量，如字符串常量。常量存儲區的內容在程序運行期間是只讀的。?

可以用下圖來直觀展示 C++ 程序的內存區域劃分：

嵌入式C語言：內存管理_嵌入式內存管理-CSDN博客?

二、棧內存分配?

2.1 棧內存的特點?

棧內存具有以下特點：?

• 自動管理：棧內存的分配和釋放由編譯器自動完成，無需程序員手動干預。?

• 速度快：由于棧的操作遵循后進先出原則，并且是在連續的內存區域進行操作，所以棧內存的分配和釋放速度非常快。?

• 大小有限：棧的大小在程序運行前通常是固定的，不同的操作系統和編譯器對棧的大小限制不同。如果函數調用層級過深，或者局部變量占用空間過大，可能會導致棧溢出。?

2.2 棧內存分配示例?

下面通過一個簡單的 C++ 代碼示例來展示棧內存的分配和使用：?

#include <iostream>void function() {int localVar = 10;  // 局部變量 localVar 在棧上分配內存std::cout << "Local variable in function: " << localVar << std::endl;
}int main() {int mainVar = 20;  // 局部變量 mainVar 在棧上分配內存std::cout << "Local variable in main: " << mainVar << std::endl;function();return 0;
}

mainVar和localVar都是局部變量，它們在函數調用時在棧上分配內存，函數結束時，棧內存會自動釋放。?

三、堆內存分配?

3.1 new和delete操作符?

在 C++ 中，使用new操作符在堆上分配內存，使用delete操作符釋放堆內存。new操作符返回一個指向分配內存的指針，delete操作符用于釋放new分配的內存。?

①基本數據類型的堆內存分配?

#include <iostream>int main() {int* ptr = new int;  // 在堆上分配一個 int 類型的內存空間*ptr = 10;  // 向分配的內存空間寫入數據std::cout << "Value in heap memory: " << *ptr << std::endl;delete ptr;  // 釋放堆內存return 0;
}

②數組的堆內存分配?

#include <iostream>int main() {int* arr = new int[5];  // 在堆上分配一個包含 5 個 int 元素的數組for (int i = 0; i < 5; ++i) {arr[i] = i;}for (int i = 0; i < 5; ++i) {std::cout << "arr[" << i << "]: " << arr[i] << std::endl;}delete[] arr;  // 釋放堆上的數組內存return 0;
}

需要注意的是，在釋放數組內存時，必須使用delete[]，否則可能會導致內存泄漏或程序崩潰。?

4.2 內存泄漏與懸空指針問題?

①內存泄漏：當使用new分配的內存沒有通過delete釋放時，就會發生內存泄漏。隨著程序的運行，內存泄漏會導致可用內存逐漸減少，最終可能導致程序性能下降甚至崩潰。

#include <iostream>void memoryLeak() {int* ptr = new int;// 沒有調用 delete ptr，導致內存泄漏
}int main() {memoryLeak();return 0;
}

②懸空指針：當通過delete釋放了堆內存后，如果沒有將指針設置為nullptr，該指針就會成為懸空指針。使用懸空指針進行解引用操作會導致未定義行為。?

#include <iostream>int main() {int* ptr = new int;*ptr = 10;delete ptr;// 此時 ptr 成為懸空指針std::cout << *ptr << std::endl;  // 未定義行為return 0;
}

為了避免懸空指針問題，可以在釋放內存后將指針設置為nullptr：

#include <iostream>int main() {int* ptr = new int;*ptr = 10;delete ptr;ptr = nullptr;  // 將指針設置為 nullptrreturn 0;
}

4.3 new和delete的重載?

在 C++ 中，可以重載new和delete操作符，以實現自定義的內存分配策略。例如，可以實現內存池來提高內存分配的效率，減少內存碎片。?

#include <iostream>
#include <cstdlib>class MemoryPool {
private:static const size_t POOL_SIZE = 1024;  // 內存池大小char* pool;size_t current;public:MemoryPool() : pool(static_cast<char*>(std::malloc(POOL_SIZE))), current(0) {}~MemoryPool() { std::free(pool); }void* allocate(size_t size) {if (POOL_SIZE - current < size) {return std::malloc(size);  // 內存池不足時，使用標準 malloc}void* result = pool + current;current += size;return result;}void deallocate(void* ptr) {// 簡單實現，不支持真正的釋放回內存池，僅標記為可分配if (ptr >= pool && ptr < pool + POOL_SIZE) {// 這里可以添加更復雜的標記邏輯} else {std::free(ptr);}}
};MemoryPool globalPool;void* operator new(size_t size) {return globalPool.allocate(size);
}void operator delete(void* ptr) noexcept {globalPool.deallocate(ptr);
}class MyClass {
public:int data;MyClass() : data(0) {}
};int main() {MyClass* obj = new MyClass;obj->data = 10;std::cout << "Data in MyClass: " << obj->data << std::endl;delete obj;return 0;
}

通過重載new和delete操作符，實現了一個簡單的內存池。當分配內存時，優先從內存池中獲取，如果內存池不足，則使用標準的malloc函數。釋放內存時，對于從內存池中分配的內存，簡單標記為可分配（實際應用中可實現更復雜的回收邏輯），對于使用malloc分配的內存，則使用free釋放。?

四、智能指針與動態內存管理?

4.1 智能指針的概念?

智能指針是 C++ 標準庫提供的一種用于自動管理動態內存的類模板。它通過封裝原始指針，并在適當的時候自動釋放所指向的內存，從而避免了手動管理內存時容易出現的內存泄漏和懸空指針問題。?

4.2 std::unique_ptr?

std::unique_ptr是一種獨占所有權的智能指針，它不支持拷貝構造和賦值操作，確保每個std::unique_ptr實例都唯一地擁有所指向的對象。當std::unique_ptr對象被銷毀時，它所指向的內存會自動釋放。?

#include <iostream>
#include <memory>class MyClass {
public:MyClass() { std::cout << "MyClass constructor" << std::endl; }~MyClass() { std::cout << "MyClass destructor" << std::endl; }
};int main() {std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass);  // 創建 std::unique_ptr// ptr 離開作用域時，MyClass 對象的內存會自動釋放return 0;
}

std::unique_ptr還提供了release和reset等成員函數，用于轉移所有權和釋放當前指向的對象。?

4.3 std::shared_ptr?

std::shared_ptr是一種共享所有權的智能指針，多個std::shared_ptr可以指向同一個對象，通過引用計數來管理對象的生命周期。當最后一個指向對象的std::shared_ptr被銷毀時，對象的內存會自動釋放。?

#include <iostream>
#include <memory>class MyClass {
public:MyClass() { std::cout << "MyClass constructor" << std::endl; }~MyClass() { std::cout << "MyClass destructor" << std::endl; }
};int main() {std::shared_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass);  // 創建 std::shared_ptrstd::shared_ptr<MyClass> ptr2 = ptr1;  // 共享所有權，引用計數加 1// 當 ptr1 和 ptr2 都離開作用域時，MyClass 對象的內存會自動釋放return 0;
}

std::shared_ptr還提供了use_count等成員函數，用于獲取當前對象的引用計數。?

4.4 std::weak_ptr?

std::weak_ptr是一種弱引用的智能指針，它不影響對象的生命周期，主要用于解決std::shared_ptr循環引用的問題。std::weak_ptr不能直接解引用，需要先通過lock函數將其轉換為std::shared_ptr。?

#include <iostream>
#include <memory>class B;class A {
public:std::weak_ptr<B> ptrB;~A() { std::cout << "A destructor" << std::endl; }
};class B {
public:std::weak_ptr<A> ptrA;~B() { std::cout << "B destructor" << std::endl; }
};int main() {std::shared_ptr<A> a(new A);std::shared_ptr<B> b(new B);a->ptrB = b;b->ptrA = a;// 當 a 和 b 離開作用域時，對象 A 和 B 的內存會正常釋放return 0;
}

通過std::weak_ptr打破了A和B之間的循環引用，避免了內存泄漏。?

五、總結?

本文詳細介紹了 C++ 中的內存分配相關知識，包括棧內存和堆內存的分配方式、new和delete操作符的使用、內存泄漏和懸空指針問題，以及智能指針在動態內存管理中的應用。合理選擇和使用內存分配方式，正確處理內存管理問題，對于編寫高效、穩定的 C++ 程序至關重要。在實際編程中，應根據具體需求選擇合適的內存管理策略，充分利用 C++ 提供的內存管理工具，提高程序的質量和性能。?

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