面试题：C++ 引用与指针在内存管理场景下的复杂应用

Question

假设有一个复杂的类层次结构，基类中有虚函数。在进行对象的创建、销毁以及对象间关系管理时，涉及到动态内存分配。请详细描述如何根据不同需求，在这个场景中正确选择使用引用或指针，以确保内存管理的高效性和安全性，避免内存泄漏等问题。

Answer 1

1. 对象创建

• 指针：
  • 当需要动态分配对象时，使用指针是常见选择。例如，如果基类 Base 有虚函数，且需要在运行时根据具体需求决定创建派生类 Derived1 或 Derived2 的对象，可这样做：

  Base* ptr = nullptr;
  if (condition) {
      ptr = new Derived1();
  } else {
      ptr = new Derived2();
  }
  

  • 指针的优势在于其灵活性，可在运行时改变指向的对象类型，实现多态行为。但需注意手动释放内存，否则会导致内存泄漏。在使用完 ptr 后，应使用 delete ptr; 释放内存。
• 引用：
  • 引用通常用于在栈上创建对象的场景。如果已经确定了对象类型，且不需要改变其引用的对象，可使用引用。例如：

  Derived1 obj;
  Base& ref = obj;
  

  • 引用的好处是语法简洁，且无需担心空引用（引用必须初始化），在一定程度上提高了安全性。但由于引用一旦初始化后就不能再引用其他对象，缺乏指针那种动态改变指向的灵活性。

2. 对象销毁

• 指针：
  • 对于通过 new 分配的对象指针，必须使用 delete 进行释放。为避免内存泄漏，可结合智能指针使用。例如 std::unique_ptr：

  std::unique_ptr<Base> ptr = std::make_unique<Derived1>();
  // 当 ptr 离开作用域时，会自动调用 delete 释放对象内存
  

  • 如果是数组形式的动态分配（new[]），则需要使用 delete[] 释放，使用 std::unique_ptr 时可使用 std::make_unique<T[]> 来处理数组分配和释放。
• 引用：
  • 因为引用本身不负责对象的创建和销毁，所以在对象销毁方面，引用主要依赖其所引用对象的生命周期管理。当所引用对象在栈上创建时，它会随着栈的清理而自动销毁；如果所引用对象是通过动态分配并由指针管理，那么引用不会影响该对象的销毁操作，仍然由指针负责释放内存。

3. 对象间关系管理

• 指针：
  • 在实现对象间的复杂关系（如父子关系、链表等）时，指针很有用。例如，一个链表节点类：

  class ListNode {
  public:
      Base* data;
      ListNode* next;
      ListNode(Base* d, ListNode* n = nullptr) : data(d), next(n) {}
      ~ListNode() { delete data; delete next; }
  };
  

  • 指针允许节点之间灵活地建立关系，并且可以在运行时修改这些关系。但在删除节点时，需要小心管理所指向对象的内存释放，以避免悬空指针（dangling pointer）问题。
• 引用：
  • 当对象间关系相对固定，且不希望关系发生改变时，引用可用于表示这种关系。例如，一个容器类包含对其他对象的引用：

  class Container {
  public:
      Base& ref;
      Container(Base& r) : ref(r) {}
  };
  

  • 引用确保了对象间关系的稳定性，因为无法重新绑定引用。但如果被引用对象提前销毁，会导致未定义行为，所以在使用引用管理对象间关系时，需要保证被引用对象的生命周期足够长。

在复杂类层次结构且涉及动态内存分配的场景中，指针适合需要动态改变对象类型和建立灵活对象关系的情况，但要注意内存释放和悬空指针问题；引用适合对象类型固定且关系稳定的场景，能提供一定的安全性，但使用时要关注对象生命周期。合理结合智能指针使用指针，可以在保证灵活性的同时提高内存管理的安全性和高效性。