面试题：C++中动态内存错误之悬空指针分析

Question

考虑如下C++代码片段： ```cpp int* ptr = new int(5); int* anotherPtr = ptr; delete ptr; // 在此处，`anotherPtr`成为了悬空指针。请详细说明悬空指针会带来什么问题，以及如何检测和避免悬空指针的产生，并对上述代码进行改进。 ```

Answer 1

悬空指针带来的问题

1. 程序崩溃：当试图通过悬空指针访问内存时，由于该指针指向的内存已被释放，这是未定义行为，可能导致程序崩溃。例如，如果执行 *anotherPtr = 10;，系统会因访问无效内存地址而报错。
2. 数据损坏：如果其他代码在悬空指针指向的内存位置重新分配了内存并写入数据，然后原悬空指针又被误用来访问该内存，就可能导致数据损坏。

检测悬空指针

1. 手动标记：在释放指针后，将指针赋值为 nullptr，之后每次使用指针前检查其是否为 nullptr。例如：

if (anotherPtr != nullptr) {
    // 使用指针
}

2. 智能指针：C++ 标准库中的智能指针（如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）可以自动管理内存释放，并提供了一些方法来检测指针是否有效。例如 std::shared_ptr 的 use_count() 方法可以获取引用计数，expired() 方法可以检测指针是否指向已释放的对象。

避免悬空指针产生的方法

1. 使用智能指针：
   • std::unique_ptr：适用于资源只能有一个所有者的情况。上述代码可以改写为：

#include <memory>
int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr(new int(5));
    std::unique_ptr<int> anotherPtr = std::move(ptr);
    // 此时`ptr`不再拥有对象，`anotherPtr`拥有对象，当`anotherPtr`离开作用域时会自动释放内存
    return 0;
}

- **`std::shared_ptr`**：适用于资源可以有多个所有者的情况，它使用引用计数来管理内存。例如：

#include <memory>
int main() {
    std::shared_ptr<int> ptr(new int(5));
    std::shared_ptr<int> anotherPtr = ptr;
    // 当`ptr`和`anotherPtr`都离开作用域，引用计数为0时，内存自动释放
    return 0;
}

2. 手动管理：在释放指针后，立即将指针赋值为 nullptr。修改后的代码如下：

int* ptr = new int(5);
int* anotherPtr = ptr;
delete ptr;
ptr = nullptr;
anotherPtr = nullptr;
// 这样避免了悬空指针问题

改进上述代码

1. 使用智能指针改进：

#include <memory>
int main() {
    std::unique_ptr<int> ptr(new int(5));
    std::unique_ptr<int> anotherPtr = std::move(ptr);
    // 无需手动释放内存，智能指针会自动管理
    return 0;
}

2. 手动管理改进：

int* ptr = new int(5);
int* anotherPtr = ptr;
delete ptr;
ptr = nullptr;
anotherPtr = nullptr;
// 释放内存后将指针置为nullptr，避免悬空指针