3.1 堆内存与动态分配

3.1 堆内存与动态分配

本节摘要：堆是程序运行期可以自由申请归还的内存池，C++ 用 new 与 delete 管理它——new 做两件事（分配加构造），delete 也做两件事（析构加归还）。本节拆解堆分配的内部机制、内存泄漏与双重释放的案发过程、new 与 malloc 的本质差异，以及用工具把堆事故堵在上游的实践清单。

你将学会

阅读完本节，你应当能够：

1. 说出 new/delete 与 malloc/free 的两处本质差异；
2. 描述内存泄漏、双重释放、堆越界的成因与症状；
3. 解释 new 失败为何抛异常而不是返回空；
4. 列出定位堆泄漏的三种工程手段。

一、为什么需要堆

栈的两条纪律在第 1 章已经领教：大小编译期定、生命周期随栈帧终结。可现实需求常常相反——容器要按数据量伸缩，对象要活过创建它的函数，对象本体要在运行期才能确定类型。这些需求统统指向堆：

int* make_buffer(std::size_t n) {
    int* p = new int[n];      // 运行期才知 n 栈上放不下 编译期更无从谈起
    return p;                 // 堆对象活过本次调用
}
​

堆是一块由分配器管理的内存池，程序按需申请、用完归还。主流分配器（glibc 的 ptmalloc、Windows 的堆 API）的策略大同小异：小块切割自更大的内存块，空闲块按尺寸分级缓存复用，目的是让频繁的申请归还不至于每次都陷入系统调用。理解到这一层就够用了——分配不是免费的，一次堆申请常在百纳秒量级，比栈上挪个指针贵两个数量级，这也是短字符串优化、容量预留等设计的动机。

图：一次 new int[4] 在堆分配器眼中的样子

二、new/delete 对 malloc/free：多出的那半步

malloc 只分配字节，不认识类型；new 是 C++ 的运算符，做两件事：

struct Sensor {
    Sensor() { /* 构造逻辑 */ }
    int calibration{0};
};

Sensor* s = new Sensor;    // 1 分配 sizeof(Sensor) 字节 2 调用构造函数
delete s;                  // 3 调用析构函数 4 归还内存
Sensor* arr = new Sensor[3];   // 数组版本额外记录元素个数
delete[] arr;                  // 必须配对 否则只析构第一个
​

配对纪律是硬性的：new 对 delete、new[] 对 delete[]、malloc 对 free，混用是未定义行为——delete 不知道数组头里藏着元素个数，free 不会调析构。new 失败不返回空，抛 std::bad_alloc 异常（这是与 malloc 返回 NULL 最大的行为差异）；确实想要空指针语义用 new (std::nothrow)，但更现代的态度是：让异常路径统一走 try（3.6 节）。

三、三起事故的现场复原

内存泄漏：申请了、用完了、忘了还。泄漏不会立刻崩溃，它像慢性的内存贫血——进程占用量只升不降，跑几天的服务最终被系统杀死。最普通的泄漏形态不是"忘了写 delete"，而是"delete 写了却执行不到"：

void process() {
    auto* data = new std::vector<int>(1000000);
    bool ok = do_work(*data);
    if (!ok) return;          // 提前返回 delete 被跳过 泄漏
    delete data;
}
​

早退、异常、循环里的 continue，都能让写在尾部的 delete 形同虚设。这就是为什么"手工 new/delete"被现代 C++ 判了缓刑——3.2 的 RAII 与 3.3 的智能指针才是正刑。

双重释放：同一块内存还两次，分配器的空闲链表被打成死结，症状常常是"随后某次不相干的 new 崩溃"——崩溃点与案发点相距十万八千里，是排查成本最高的一类。两个所有者共享一个裸指针是它的标准起因（2.1 节的 BadBuffer 就是雏形）。

越界写堆：图里画的块头被踩坏。写数组越一个元素，改写的是分配器的元数据，等下次相邻块归还时才引爆。规律：堆上越界崩溃必晚于案发，与栈上越界（常在附近）正好相反。

四、把事故堵在上游的工具箱

编译期：编译器警告 -Wall -Wextra 能抓一部分配对问题；把裸 new 圈禁在封装层（管理类的私有角落），公开接口只出智能指针。

运行期排查：地址消毒剂（AddressSanitizer，主流编译器 -fsanitize=address 一键开启）把堆块周围布上毒药字节，越界、use-after-free、double-free 当场抓获，开销约两倍，测试环境常开；Valgrind 的 memcheck 无需重编译即可抓泄漏，代价是慢十倍以上。

泄漏定位三步法：先看增长曲线确认是"真泄漏"还是"碎片化"；再用 ASan 的泄漏报告拿分配栈；最后按调用栈归类到代码路径。长期驻留的服务还可以周期性打印自定义分配统计（重载 operator new 计数是侵入最小的方式）。

顺带说清一个常被误解的词：内存碎片不是泄漏。反复申请释放不同尺寸的块之后，堆里空闲总量充足却没有一块够大的连续区，大申请宣告失败。缓解手段是预留容量、对象池、按尺寸分级的分配策略——第 4 章容器章节会看到 reserve 在这方面的作用。

⚠️ 常见坑：delete 后不置空、把对象地址交给两个持有者、在多线程下跨线程 delete——三者的现代解法分别是不再裸持指针、明确唯一所有者（下一节）、智能指针定所有权（3.3）。

本节要点回顾

• new 是两步动作：分配加构造、析构加归还，配对纪律 new/new[] 各随其 delete/delete[]；失败抛 bad_alloc。
• 分配不免费：堆申请比栈慢两个数量级，频繁小分配要靠缓存、预留、池化摊薄。
• 三案特征：泄漏是慢性贫血、双释放崩溃在远处、堆越界崩溃在更远处——排查工具 ASan 与 Valgrind 必备。
• 裸 new 的原罪：提前返回与异常让尾部 delete 形同虚设，正解是让释放成为析构的影子。

下一节正式立法定案：RAII 与五法则，C++ 资源管理的第一性原理。