0117、安全开发篇（三）：引用与内存管理

这一章从 C 的指针过渡到 C++ 的引用和资源管理。引用让参数传递更自然，new/delete 让对象生命周期更灵活，智能指针则是后面写安全 C++ 代码时应该优先考虑的工具。

2.0 指针与引用

引用可以理解成对象的别名。它不像指针那样保存一个可以随时改的地址，而是初始化后绑定到某个对象。

对比	指针	引用
是否可为空	可以为空	正常引用不应为空
是否可改指向	可以	初始化后不能改绑
使用语法	`*p` / `p->`	像普通变量一样
适合场景	可选对象、动态对象、数组遍历	参数传递、别名、返回对象

2.1 引用基本特性

引用必须初始化，之后它就是原对象的另一个名字。

#include <iostream>

int main() {
    int value = 10;
    int &ref = value;

    ref = 20;
    std::cout << value << std::endl;
    return 0;
}

复盘重点：修改引用就是修改原对象。

2.2 引用作函数参数

引用参数避免复制，也能让函数修改外部对象。只读参数要加 const，表达“不修改”。

#include <iostream>

void swap_value(int &a, int &b) {
    int tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}

void print_name(const std::string &name) {
    std::cout << name << std::endl;
}

写法	适合场景
`T value`	小对象、需要复制
`T &value`	需要修改外部对象
`const T &value`	大对象只读传递

2.3 引用作返回值

引用返回值必须指向仍然存在的对象。不能返回局部变量引用。

#include <vector>

int &at(std::vector<int> &nums, int index) {
    return nums.at(index);
}

错误思路：

int &bad() {
    int value = 10;
    return value;
}

局部变量在函数返回后销毁，返回它的引用会形成悬空引用。

2.4 常量引用特性

常量引用可以绑定临时对象，也可以避免复制。C++ 里函数参数常见写法是 const T &。

1
2
3

void show(const std::string &text) {
    std::cout << text << std::endl;
}

安全复盘：只读接口尽量写成 const，这样对象不会被函数悄悄改掉。

2.5 引用、常量引用与指针

如果参数必须存在，用引用；如果参数可以不存在，用指针并检查空；如果只读，用 const。

需求	推荐
必须传入并修改	`T &`
必须传入但不修改	`const T &`
可以不传	`T *` 或智能指针
动态共享所有权	`std::shared_ptr<T>`
独占所有权	`std::unique_ptr<T>`

2.6 数组引用样式

数组引用可以保留数组长度。

#include <iostream>

template <size_t N>
void print_array(const int (&arr)[N]) {
    for (size_t i = 0; i < N; ++i) {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

这比只传 int * 更安全，因为长度没有丢。

2.7 内存分区

C++ 对象也要落在具体内存区域里。

区域	内容
栈区	局部对象，自动构造析构
堆区	`new` 创建对象，需要释放或交给智能指针
全局/静态区	全局对象、静态对象
只读区	字符串字面量、常量数据
代码区	成员函数和普通函数机器码

2.8 `new` 与 `delete`

new 会分配内存并调用构造函数；delete 会调用析构函数并释放内存。

#include <iostream>

class User {
public:
    User() { std::cout << "construct\n"; }
    ~User() { std::cout << "destruct\n"; }
};

int main() {
    User *user = new User();
    delete user;
    user = nullptr;
    return 0;
}

复盘重点：new[] 对应 delete[]，new 对应 delete，不能混用。

2.9 内存异常处理

内存申请可能失败，构造函数也可能抛异常。现代 C++ 更推荐 RAII 和智能指针，让资源自动释放。

3.0 `shared_ptr`

std::shared_ptr 通过引用计数共享对象所有权。适合多个对象共同持有同一资源，但要警惕循环引用。

#include <iostream>
#include <memory>

struct Node {
    int value;
    explicit Node(int v) : value(v) {}
};

int main() {
    std::shared_ptr<Node> p1 = std::make_shared<Node>(10);
    std::shared_ptr<Node> p2 = p1;
    std::cout << p1.use_count() << std::endl;
    return 0;
}

3.1 `unique_ptr`

std::unique_ptr 表示独占所有权，不能复制，只能移动。它适合表达“这个资源只有我负责”。

#include <memory>

std::unique_ptr<int> make_value() {
    return std::make_unique<int>(42);
}

本章复盘重点

方向	问题
引用	是否会产生悬空引用
指针	是否为空，是否越界，是否已经释放
堆对象	谁负责释放
智能指针	所有权是独占还是共享
安全边界	是否能避免裸指针和手动释放

学习检查清单

检查项	状态
能区分指针和引用的使用场景	待复盘
能写出引用参数和常量引用参数	待复盘
能说明为什么不能返回局部变量引用	待复盘
能正确配对 `new/delete` 和 `new[]/delete[]`	待复盘
能说明 `unique_ptr` 和 `shared_ptr` 的区别	待复盘