面试题：C++类实例化与内存管理

Question

设计一个C++类`Matrix`来表示二维矩阵，包含动态分配的二维数组作为成员变量。在类实例化过程中，如何合理地进行内存分配与释放，以避免内存泄漏？请实现`Matrix`类的构造函数、析构函数以及拷贝构造函数。阐述在实例化多个`Matrix`对象时，这些函数是如何协同工作来管理内存的。

Answer 1

#include <iostream>

class Matrix {
private:
    int** data;
    int rows;
    int cols;

public:
    // 构造函数
    Matrix(int r, int c) : rows(r), cols(c) {
        data = new int* [rows];
        for (int i = 0; i < rows; ++i) {
            data[i] = new int[cols];
            for (int j = 0; j < cols; ++j) {
                data[i][j] = 0;
            }
        }
    }

    // 析构函数
    ~Matrix() {
        for (int i = 0; i < rows; ++i) {
            delete[] data[i];
        }
        delete[] data;
    }

    // 拷贝构造函数
    Matrix(const Matrix& other) : rows(other.rows), cols(other.cols) {
        data = new int* [rows];
        for (int i = 0; i < rows; ++i) {
            data[i] = new int[cols];
            for (int j = 0; j < cols; ++j) {
                data[i][j] = other.data[i][j];
            }
        }
    }

    // 打印矩阵的函数
    void printMatrix() const {
        for (int i = 0; i < rows; ++i) {
            for (int j = 0; j < cols; ++j) {
                std::cout << data[i][j] << " ";
            }
            std::cout << std::endl;
        }
    }
};

函数协同工作原理

1. 构造函数：在Matrix对象实例化时，构造函数根据传入的行数rows和列数cols分配内存。首先为指针数组data分配内存，该数组的每个元素是指向int数组（对应矩阵的每一行）的指针。然后为每一行分配内存，并初始化每个元素为0。这样就完成了矩阵内存的分配。
2. 析构函数：当Matrix对象生命周期结束时，析构函数被调用。它首先释放每一行的内存（通过delete[] data[i]），然后释放data指针数组的内存（通过delete[] data）。确保了在对象销毁时所有分配的内存都被正确释放，避免内存泄漏。
3. 拷贝构造函数：当通过拷贝已有的Matrix对象来创建新对象时，拷贝构造函数被调用。它首先为新对象分配与原对象相同大小的内存，然后将原对象的每个元素复制到新对象中。这样新对象有自己独立的内存空间，不会与原对象共享内存，避免了浅拷贝带来的问题（如一块内存被多次释放导致程序崩溃）。

通过这三个函数的协同工作，在实例化多个Matrix对象时，可以有效地管理内存，确保内存的正确分配与释放，避免内存泄漏。