在C++中什么情况下应该在堆上动态分配内存-C++-PHP中文网

在C++中，堆内存用于管理生命周期长、大小未知或大型对象，智能指针通过RAII机制解决内存泄漏等问题，推荐使用std::make_unique和std::make_shared以确保异常安全和性能优化。

在c++中什么情况下应该在堆上动态分配内存

在C++里，当你需要一个对象活得比它被创建的那个函数更久，或者你根本不知道它会有多大、甚至可能大到栈都装不下的时候，那基本上就是该考虑把内存放到堆上的时候了。这给了你很大的自由度，但相应的，管理这块内存的担子也就落到你肩上了。

解决方案

在C++中，选择在堆上动态分配内存通常是出于以下几个核心考量：

对象生命周期超越作用域： 这是最常见也最关键的原因。局部变量（栈上分配）在函数执行完毕后就会自动销毁。如果你需要一个对象在创建它的函数返回后依然存在，例如作为函数的返回值、作为类成员，或者在整个程序运行期间都有效，那么它就必须在堆上分配。我个人经常遇到这种情况，比如一个工厂函数返回一个新创建的对象，这个对象不能是局部变量，否则返回的将是一个悬空引用或指针。

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对象大小在编译时未知： 当你编写代码时，如果一个数据结构（比如数组）的大小是根据运行时输入（如用户输入、文件内容）决定的，那么你无法在编译时确定它需要多少内存。这时，你需要动态地在堆上分配所需大小的内存。
```
std::vector
```
登录后复制
和
```
std::string
```
登录后复制
就是很好的例子，它们内部就是通过堆来管理可变大小的数据。
大型数据结构或避免栈溢出： 栈空间是有限的，通常只有几MB到几十MB。如果你要创建一个非常大的数组或对象（例如一个高分辨率图像的缓冲区、大型矩阵），直接在栈上分配很可能会导致栈溢出，程序崩溃。这种“一不小心就爆栈”的经历，相信不少C++开发者都遇到过。将这些大型数据放到堆上，可以避免栈空间的限制。
多态性与基类指针： 当你使用基类指针（或引用）指向派生类对象时，为了实现运行时多态，这些派生类对象通常需要在堆上创建。基类指针本身并不知道它实际指向的派生类对象具体有多大，而且这些对象的生命周期也往往需要被动态管理。通过
```
new
```
登录后复制
在堆上创建对象，可以确保对象的完整性，并通过虚函数机制实现正确的行为。
所有权转移与共享： 虽然现在我们更多地依赖智能指针，但其底层依然是堆内存。当你需要明确地表达一个对象的所有权可以被转移给另一个部分（
```
std::unique_ptr
```
登录后复制
），或者被多个部分共享（
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
）时，堆分配是基础。这些智能指针极大地简化了堆内存的管理，避免了传统C风格指针带来的诸多问题。

智能指针在堆内存管理中扮演了什么角色，它解决了哪些传统问题？

智能指针是现代C++处理堆内存的核心工具，它们彻底改变了传统手动管理内存的模式，解决了困扰C++开发者多年的内存泄漏、野指针和双重释放等问题。

首先，让我们回顾一下传统C++内存管理的痛点：当你使用

new

登录后复制

分配内存后，必须记得在适当的时候使用

delete

登录后复制

释放它。如果忘记

delete

登录后复制

，就会导致内存泄漏；如果

delete

登录后复制

了已经释放的内存（双重释放），或者

delete

登录后复制

了一个无效的指针（野指针），程序就会崩溃。我刚学C++时，这些问题简直是噩梦，调试起来非常困难。

智能指针的引入，尤其是C++11标准库中的

std::unique_ptr

登录后复制

和

std::shared_ptr

登录后复制

，正是为了解决这些问题。它们的核心思想是RAII（Resource Acquisition Is Initialization），即资源在构造时获取，在析构时释放。

```
std::unique_ptr
```
登录后复制
（独占所有权）： 它表示对一个对象的独占所有权。一个
```
unique_ptr
```
登录后复制
管理的对象，不能被其他
```
unique_ptr
```
登录后复制
共同管理。当
```
unique_ptr
```
登录后复制
超出其作用域时（例如函数返回，或者局部变量销毁），它会自动调用
```
delete
```
登录后复制
释放所指向的内存。这极大地简化了内存管理，几乎杜绝了因忘记
```
delete
```
登录后复制
而导致的内存泄漏。比如，一个工厂函数返回一个动态创建的对象，用
```
unique_ptr
```
登录后复制
包裹后，调用者就不必再关心手动释放的问题了。所有权可以通过
```
std::move
```
登录后复制
转移，但不能拷贝。
```
std::shared_ptr
```
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（共享所有权）： 它允许多个
```
shared_ptr
```
登录后复制
实例共同管理同一个对象。
```
shared_ptr
```
登录后复制
内部通过引用计数来跟踪有多少个指针指向该对象。只有当最后一个
```
shared_ptr
```
登录后复制
被销毁时，对象内存才会被释放。这在需要共享资源但又难以确定谁是最终所有者的情况下非常有用，例如观察者模式或缓存系统。不过，使用
```
shared_ptr
```
登录后复制
时需要特别警惕循环引用问题，这可能导致内存无法释放（可以通过
```
std::weak_ptr
```
登录后复制
来解决）。

通过智能指针，我们不再需要手动调用

delete

登录后复制

，这不仅避免了忘记释放内存的错误，也降低了双重释放和野指针的风险。它们让C++的内存管理变得更安全、更现代，也更符合“写出正确代码”的哲学。

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为什么在大多数情况下，我们应该优先考虑

std::vector

登录后复制

和
std::string
登录后复制
，而不是直接使用
new[]
登录后复制
来分配动态数组？

在C++中，当你需要处理可变大小的序列数据（如数组）或字符串时，

std::vector

登录后复制

和

std::string

登录后复制

几乎总是比直接使用

new[]

登录后复制

更优的选择。这不仅仅是编码风格的问题，更是关乎安全性、便利性和效率的综合考量。

自动内存管理与安全性： 使用
```
new[]
```
登录后复制
分配的动态数组需要你手动调用
```
delete[]
```
登录后复制
来释放内存。这和单个对象的
```
new/delete
```
登录后复制
问题一样，非常容易忘记或者匹配错误，导致内存泄漏。而
```
std::vector
```
登录后复制
和
```
std::string
```
登录后复制
都是遵循RAII原则的容器。它们在内部封装了内存管理，当它们超出作用域时，会自动释放所持有的内存。这意味着你几乎可以完全避免内存泄漏、野指针和双重释放等传统C风格数组的常见问题。我个人几乎不会直接使用
```
new[]
```
登录后复制
，除非在极其特殊且对性能有极致要求，并且能完全掌控内存生命周期的底层代码中。
丰富的API与便利性：
```
std::vector
```
登录后复制
提供了极其丰富的成员函数，如
```
push_back
```
登录后复制
（在末尾添加元素）、
```
pop_back
```
登录后复制
（移除末尾元素）、
```
resize
```
登录后复制
（改变大小）、
```
insert
```
登录后复制
（插入元素）、
```
erase
```
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（删除元素）等，可以方便地进行元素的增删改查以及动态调整大小。
```
std::string
```
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也提供了字符串拼接、查找、截取、替换等大量实用功能。直接使用
```
new[]
```
登录后复制
则意味着你需要自己实现所有这些逻辑，这不仅非常繁琐，而且容易出错。标准库容器提供了经过严格测试和优化的实现，可以大大提高开发效率和代码质量。
效率与优化：
```
std::vector
```
登录后复制
在内部管理内存时，通常会预留一些额外空间（capacity），以减少频繁的内存重新分配操作。当容量不足时，它会以一定的策略（例如将容量翻倍）重新分配更大的内存，并将旧数据拷贝到新位置。虽然这个过程有开销，但总体上比我们手动频繁
```
new[]
```
登录后复制
和
```
delete[]
```
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并在每次扩容时手动拷贝数据要高效得多，因为它减少了系统调用的次数，并优化了内存分配模式。
与标准库的兼容性：
```
std::vector
```
登录后复制
和
```
std::string
```
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是C++标准库的核心组件，它们与算法库（如
```
std::sort
```
登录后复制
,
```
std::find
```
登录后复制
）、迭代器、范围for循环以及其他容器适配器（如
```
std::stack
```
登录后复制
,
```
std::queue
```
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）无缝集成。这使得代码更具通用性、可读性和可维护性。

综上所述，除非有非常特殊且能完全掌控内存生命周期的场景，

std::vector

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和

std::string

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几乎总是更安全、更方便、更高效的选择。它们是现代C++编程中处理动态数据序列和字符串的黄金标准。

为什么在创建智能指针时，我们推荐使用

std::make_unique

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和
std::make_shared
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，而不是直接用
new
登录后复制
后再构造智能指针？

在现代C++编程中，创建智能指针（尤其是

std::shared_ptr

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和

std::unique_ptr

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）时，强烈推荐使用

std::make_unique

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和

std::make_shared

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这些辅助函数，而不是先

new

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一个对象，再用这个裸指针去构造智能指针。这背后主要有两个非常重要的原因：异常安全性和潜在的性能优化。

异常安全性： 这是最主要的原因。考虑一个表达式，比如
```
f(std::shared_ptr<MyObject>(new MyObject()), some_other_function())
```
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。C++标准并没有规定
```
new MyObject()
```
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、
```
std::shared_ptr<MyObject>
```
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的构造函数和
```
some_other_function()
```
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这三个操作的执行顺序。一种可能的执行顺序是： a.
```
new MyObject()
```
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分配内存并构造对象。 b.
```
some_other_function()
```
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被调用。 c.
```
std::shared_ptr<MyObject>
```
登录后复制
的构造函数被调用。

如果
```
new MyObject()
```
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成功了，但紧接着
```
some_other_function()
```
登录后复制
在
```
std::shared_ptr<MyObject>
```
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构造完成之前抛出了异常，那么
```
new MyObject()
```
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分配的内存就可能永远不会被
```
delete
```
登录后复制
，从而导致内存泄漏。因为此时还没有任何智能指针来管理这块内存。
```
std::make_shared
```
登录后复制
和
```
std::make_unique
```
登录后复制
将对象的创建和智能指针的构造封装成一个原子操作。它们会先分配内存，然后直接在分配的内存上构造对象，并立即将其包装进智能指针。这样，即使在构造过程中发生异常，也能够确保内存的正确释放，避免了上述中间状态下的内存泄漏风险。
性能优化（主要针对
```
std::make_shared
```
登录后复制
）：
```
std::make_shared
```
登录后复制
在内部只进行一次内存分配。它会同时为对象本身和
```
shared_ptr
```
登录后复制
的控制块（包含引用计数等元数据）分配一块连续的内存。而如果先
```
new MyObject()
```
登录后复制
再
```
std::shared_ptr<MyObject>(ptr)
```
登录后复制
，则会进行两次独立的内存分配：一次给
```
MyObject
```
登录后复制
对象，一次给
```
shared_ptr
```
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的控制块。减少内存分配的次数可以提高缓存局部性，减少碎片，从而带来性能上的提升。对于
```
std::make_unique
```
登录后复制
，由于其没有控制块，性能提升不那么明显，但异常安全性依然是其主要优势。
代码简洁性： 使用
```
make_unique
```
登录后复制
和
```
make_shared
```
登录后复制
让代码更简洁，避免了重复的类型名，也减少了出错的可能性。例如，
```
auto ptr = std::make_unique<MyObject>(arg1, arg2);
```
登录后复制
比
```
auto ptr = std::unique_ptr<MyObject>(new MyObject(arg1, arg2));
```
登录后复制
更加清晰。