一、为何需要动态内存分配
C++ 支持三种基本的内存分配方式，其中两种您已见过：
- 静态内存分配：用于 static 与全局变量。此类变量在程序启动时一次性分配内存，并在整个程序生命周期内保持有效。
- 自动内存分配：用于函数形参和局部变量。进入相应作用域时分配，退出作用域时释放，可反复进行。
- 动态内存分配：本文讨论的主题。
静态与自动分配的共同限制：
- 变量 / 数组的大小必须在编译期已知；
- 内存的分配与释放完全由系统自动完成。
多数情况下，这些限制并无大碍。然而，当处理外部输入（用户或文件）时，上述约束往往成为障碍。
示例：
- 需要字符串保存人名，但名字长度需在用户输入后才能确定；
- 需从磁盘读取若干记录，但事先不知记录条数；
- 游戏中怪物数量随时间增减，无法在编译期固定。
若必须在编译期声明大小，只能猜测一个最大值并祈祷够用：
char name[25]; // 但愿名字不超过 25 字符！
Record record[500]; // 但愿记录不超过 500 条！
Monster monster[40]; // 最多 40 只怪物
Polygon rendering[30000]; // 3D 场景最好别超过 3 万个多边形！
这种方案至少有四大缺陷：
- 内存浪费：若实际使用远小于最大值，则多余内存闲置。
- 使用追踪困难：如何区分哪些元素真正有效？需额外状态标记，增加复杂度与内存开销。
- 栈空间受限：常规变量（含定长数组）位于栈上，而默认栈空间通常很小（Visual Studio 默认为 1 MB）。超出即触发栈溢出，操作系统可能直接终止程序。
- 人为限制与越界风险：用户若尝试读取 600 条记录，而程序仅预留 500 条，只能报错、截断或导致数组越界。
动态内存分配可彻底解决上述问题：运行期按需向操作系统申请内存。该内存并非来自受限制的栈，而是来自由操作系统管理的、容量可达 GB 级别的堆（heap）。
二、单个变量的动态分配
使用 new 的标量（非数组）形式可为单个变量申请动态内存：
new int; // 动态分配一个 int，但丢弃返回地址
通常我们将返回地址存入指针以便后续访问：
int* ptr{ new int }; // 分配 int 并将地址赋给 ptr
*ptr = 7; // 通过解引用写入值 7
由此可见指针的实用场景之一：若无指针保存地址，我们将无法访问刚获得的内存。
注意：访问堆对象通常比访问栈对象慢。栈对象地址在编译期即可确定，可直接寻址；堆对象需通过指针二次寻址。
三、动态分配底层机制
计算机拥有大量可供应用程序使用的内存。操作系统加载程序后，将其映射到若干区域：代码区、运行期数据区（记录函数调用、管理全局/局部变量等）。剩余空间则等待程序申请。
程序调用 new 时，向操作系统请求预留部分内存；若请求成功，系统返回该内存地址。程序使用完毕后，应显式归还，以便系统再分配。
关键洞察
- 栈对象的分配与释放由编译器自动生成代码完成，无需程序员干预。
- 堆对象的分配与释放需程序员介入，因此必须通过地址唯一标识对象，以便后续释放。
- new 返回的地址通常存入指针，供后续访问与 delete 使用。
四、动态分配时的初始化
可在分配时直接初始化：
int* ptr1{ new int(5) }; // 直接初始化
int* ptr2{ new int{ 6 } }; // 统一初始化（列表初始化）
五、单个变量的释放
使用 delete 的标量形式释放：
delete ptr; // 将 ptr 指向的内存归还系统
ptr = nullptr; // 置空指针，避免悬空
六、“删除”内存的含义
delete 并非销毁变量，而是将内存归还操作系统。指针变量本身作用域不变，可重新赋值（如置 nullptr）。
若 delete 非动态分配的地址，将产生未定义行为。
七、悬空指针（dangling pointer）
C++ 不保证释放后的内存内容，也不修改指针值。指向已释放内存的指针即为悬空指针。解引用或二次 delete 均导致未定义行为：
int* ptr{ new int };
*ptr = 7;
delete ptr; // ptr 现为悬空指针
std::cout << *ptr; // 未定义行为
delete ptr; // 重复释放，未定义行为
当多个指针指向同一块动态内存时，释放后所有指针均悬空：
int* ptr{ new int{} };
int* otherPtr{ ptr };
delete ptr; // ptr 与 otherPtr 均悬空
ptr = nullptr; // ptr 安全，otherPtr 仍悬空
最佳实践：
- 尽量避免多指针共享同一动态内存；若必须共享，明确“所有者”。
- delete 后立即将指针置 nullptr（除非指针立即离开作用域）。
八、new 可能失败
极端情况下，系统无法满足内存请求，默认行为是抛出 std::bad_alloc 异常。若未捕获，程序将异常终止。
可用 nothrow 版本让 new 失败时返回 nullptr：
int* value{ new (std::nothrow) int };
if (!value) {
std::cerr << "内存分配失败\n";
}
九、空指针与动态内存
空指针（nullptr）表示“未分配内存”，可用于条件分配：
if (!ptr)
ptr = new int;
删除空指针是安全的，不会产生任何效果，因此无需事先判断：
delete ptr; // 若 ptr 为 nullptr，则无操作
十、内存泄漏
动态内存必须显式释放，否则将持续占用直至程序结束（操作系统回收）。若指针超出作用域或被重新赋值，而原地址未释放，则发生内存泄漏：
void doSomething() {
int* ptr{ new int{} }; // 未 delete
} // ptr 离开作用域，地址丢失，内存泄漏
其他泄漏场景：
- 重新赋值未先释放：
int value = 5;
int* ptr{ new int{} };
ptr = &value; // 原地址丢失，泄漏
- 连续多次 new 而不释放：
int* ptr{ new int{} };
ptr = new int{}; // 第一次地址丢失，泄漏
修正方法：在重新赋值前 delete。
十一、结论
- new 与 delete 支持单个变量的动态分配与释放。
- 动态分配的内存具有动态存储期，直到显式释放或程序终止。
- 切勿解引用悬空或空指针。
本节我们将讨论使用 new 与 delete 分配与释放数组。
