在C++中，我该如何选择堆分配和栈分配？

Question

C++的一个特点是可以将复杂对象作为成员变量或局部变量进行分配，而不总是必须使用 new 进行分配。但这也引出了在任何给定情况下选择哪种分配方式的问题。

是否有一些好的标准来选择如何分配变量？应该在什么情况下声明成员变量为普通变量而不是引用或指针？在什么情况下应该使用 new 分配变量，而不是使用在堆栈上分配的局部变量？

- Omnifarious

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你了解值和指针有不同的语义吗？这应该是你的第一个决策点。 - R. Martinho Fernandes

@R.MartinhoFernandes: 我对此非常了解。但是在几乎所有可以使用值语义的地方，你也可以使用指针语义。毕竟，指针只是一个值而已。 - Omnifarious

Answer 1

其中一个让C++与其他语言不同的特点是你必须手动进行内存分配。但我们暂且不谈这个问题。

以下是一些内存分配的建议：

• 当一个对象的生命周期必须超出某个范围，而且复制或移动代价高昂或不可能时，请在堆上进行分配。
• 当一个对象很大（如果你想保险起见，这里的“很大”可能意味着几千字节），以防止栈溢出，即使该对象只是临时需要时，请在堆上进行分配。
• 如果你正在使用pimpl（编译器防火墙）惯用法, 请在堆上进行分配。
• 对于可变大小的数组，请在堆上进行分配。
• 否则，请在栈上进行分配，因为它更加方便。

请注意，在第二条规则中，“大型对象”指的是类似于：

char buffer[1024 * 1024];  // 1MB buffer

但不是

std::vector<char> buffer(1024 * 1024);

由于第二个实际上是一个非常小的对象，它包装了指向堆分配缓冲区的指针。

至于指针与值成员：

• 如果需要堆分配，则使用指针。
• 如果要共享结构，请使用指针。
• 对于多态性，请使用指针或引用。
• 如果从客户端代码获取对象并且客户端承诺保持其活动状态，请使用引用。
• 在大多数其他情况下，请使用值。

当然，在适当的情况下建议使用智能指针。请注意，在堆分配的情况下可以使用引用，因为您始终可以delete &ref，但我不建议这样做。引用是伪装成指针的指针，只有一个区别（引用不能为null），但它们也传达了不同的意图。

- Fred Foo

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+1，但我认为我们应该在你的第一点中提到RVO。这种情况很多时候同时适用于你所说的两点，仍然可以在栈上分配（例如某些返回对象的帮助函数）。 - Voo

+1 你可能还可以添加多态上下文，其中具体类型在编译时无法确定。虽然多态性并不一定意味着动态分配。 - Christian Rau

这并不涉及成员变量应该是指针还是按值包含的问题。而且还有像pimpl惯用法这样的事情需要考虑。 - Omnifarious

@Omnifarious：添加了一些关于何时使用指针成员的提示。 - Fred Foo

Answer 2

larsmans的回答已经很详细了，没什么可补充的。 在堆栈上分配通常可以简化资源管理，您不必担心内存泄漏或所有权等问题。一个GUI库就是基于这个观察建立的，可以查看“一切都属于某个地方”和“谁拥有小部件”。 如果您在堆栈上分配所有成员，则默认的复制构造函数和默认的op=通常就足够了。如果您在堆上分配成员，则必须小心实现它们。 如果您在堆栈上分配成员变量，则必须可见该成员的定义。如果您将其分配到堆上，则可以前向声明该成员。我个人喜欢前向声明，因为它可以减少依赖关系。

- Ali