Learning Objectives
- 分辨堆疊（stack）與堆積（heap）：誰負責配置、什麼時候釋放
- 用 new 配置單一變數與物件、用 delete 釋放，說明建構子與解構子何時被呼叫
- 用 new[] 配置執行時才決定大小的陣列，並用 delete[] 配對釋放
- 辨認記憶體洩漏、懸空指標與重複 delete，並用 delete 後設成 nullptr 降低風險
- 說明現代 C++ 為什麼優先使用 vector 與智慧指標
堆疊與堆積
到目前為止，你宣告的變數都是區域變數：函式開始時自動配置，函式結束時自動消失。它們放在記憶體中叫做堆疊（stack）的區域， 由編譯器自動管理，又快又方便，但有兩個限制：
- 壽命跟著函式：函式一結束就消失，不能把它的位址交給別人長期使用（上一課的懸空指標就是這樣來的）
- 大小要事先決定：陣列
int a[100];的大小必須在編譯時就確定，而且堆疊空間有限（Linux 預設通常是 8 MB）
另一塊區域叫堆積（heap，也叫自由儲存區 free store）。在堆積上配置的記憶體，由你決定什麼時候配置、什麼時候釋放：
| 堆疊（stack） | 堆積（heap） | |
|---|---|---|
| 怎麼配置 | 宣告區域變數，自動 | new，手動 |
| 什麼時候釋放 | 離開所在的區塊，自動 | delete，手動 |
| 大小 | 編譯時決定，空間較小 | 執行時決定，空間大 |
| 位址（本課動畫） | 0x7ffd… |
0x55a3c6… |
int* p = new int(25); // 在堆積配置一個 int，初始值 25，回傳它的位址
delete p; // 用完還回去
自由的代價是責任：每個 new 都要有一個對應的 delete，忘了就會洩漏，還太早或還兩次都會出錯。
本課動畫的右側有一欄堆積，每次 new 會出現一個區塊，delete 之後標示為已釋放；程式結束時還沒釋放的區塊會被標示為記憶體洩漏。
new 與 delete
比較 local（堆疊）和 p、d 指向的區塊（堆積）的位址開頭。注意第 13 行 delete p 之後，區塊被釋放了，但 p 的值還是舊位址，要到第 15 行才變成 nullptr。
執行時才決定大小的陣列
陣列的大小必須是編譯時就知道的常數。如果要依使用者輸入決定大小，就在堆積上配置：
int n;
cin >> n;
int* arr = new int[n]; // n 個 int，連續排列
arr[0] = 5; // 用法和一般陣列一樣
delete[] arr; // 注意是 delete[]
new 配 delete，new[] 配 delete[]，不能混用：用 delete 釋放 new[] 配置的陣列，或反過來，都是未定義行為。
g++ 其實接受
int arr[n];這種寫法（可變長度陣列），但這是 g++ 的擴充功能，不是標準 C++，其他編譯器不一定支援； 陣列很大時還可能用光堆疊空間。
new[] 與 delete[]
輸入區已經準備好：先輸入 4，再輸入四個分數。第 9 行執行後，堆積欄會出現一個能放 4 個 int 的區塊，迴圈讀入分數時區塊裡的值會一格一格填上。
想一想：new 與 delete
下面的程式會印出什麼？
int* p = new int(5);
int* q = p;
*q += 2;
cout << *p;
delete p;
double* data = new double[100]; 用完之後，正確的釋放方式是哪一個？
下面的程式執行時會怎樣？
int* p = new int(1);
delete p;
delete p;
cout << "done";
記憶體洩漏
new 配置的區塊不會自己消失：就算存放位址的指標變數已經不見了，區塊還留在堆積裡。
如果沒有任何指標記得它的位址，就再也沒有辦法 delete 它，這塊記憶體在程式結束前都浪費掉了，這叫做記憶體洩漏（memory leak）。
常見的原因：
- 忘了寫
delete - 指標被改成指向別的地方，原本的位址弄丟了
- 函式在
delete之前就return或丟出例外
一次洩漏幾個位元組看不出影響，但如果發生在迴圈裡、或程式要連續執行好幾天，記憶體用量會一直上升。
記憶體洩漏是怎麼發生的
盯著右邊的堆積欄：makeCounter 結束時區域變數 c 消失了，但它配置的區塊留了下來。第 16 行之後，存著 7 的區塊已經沒有任何指標指向它。播到最後一步，堆積欄裡剩下的區塊就是洩漏的記憶體。
懸空指標與重複 delete
delete p; 釋放的是 p 指向的區塊，p 這個變數本身不會變，仍然存著舊位址。之後的錯誤有兩種：
| 錯誤 | 例子 | 結果 |
|---|---|---|
| 使用已釋放的記憶體（use after free） | delete p; cout << *p; |
未定義行為：可能讀到怪值、改壞別的資料或當掉 |
| 重複 delete（double free） | delete p; delete p; |
未定義行為：通常當掉 |
delete 之後立刻設成 nullptr 是好習慣：之後可以用 if (p != nullptr) 檢查，而且 delete nullptr; 是安全的，什麼都不做。
但這招只保護得了被設成 nullptr 的那一個指標。如果還有別的指標複製了同一個位址，它們全都成了懸空指標：
另一個指標還記得舊位址
p 和 q 指向同一個區塊。delete p 之後 p 被設成 nullptr，q 卻沒有人更新。播到最後一步，看程式停下來的原因。
在堆積上建立物件
new 也可以建立類別的物件，這時會做兩件事：配置記憶體，然後呼叫建構子；delete 則是先呼叫解構子，再釋放記憶體。
Player* hero = new Player("勇者", 100);
hero->hp -= 30; // 透過指標存取成員用 ->，等於 (*hero).hp
delete hero; // 呼叫 ~Player()，再釋放
區域物件離開大括號時會自動解構；用 new 建立的物件不會，一定要 delete 才會呼叫解構子。
new 呼叫建構子，delete 呼叫解構子
hero 指向堆積上的物件，guard 是堆疊上的區域物件。注意 guard 在第 24 行離開大括號時自動解構，hero 指向的物件要等到第 25 行 delete 才解構。
想一想：洩漏、懸空與物件
下面的程式執行完之後，有幾塊記憶體洩漏？
int* a = new int(1);
int* b = new int(2);
a = b;
delete a;
下面的程式會印出什麼？
struct T {
char c;
T(char x) : c(x) { cout << c; }
~T() { cout << c; }
};
int main() {
T* a = new T('A');
T b('B');
delete a;
}
要存放「執行時才知道有幾筆」的成績，現代 C++ 最建議哪一種寫法？
現代 C++：讓物件替你管理記憶體
手動 new／delete 很容易出錯：漏掉 delete、delete 兩次、delete 之前就丟出例外。現代 C++ 的做法是把記憶體交給物件管理，
物件解構時自動釋放（這個原則叫 RAII，resource acquisition is initialization）。
動態陣列用 vector：
vector<int> scores(n); // 在堆積上配置 n 個 int
// 不需要 delete，scores 解構時自動釋放
單一物件用智慧指標（標頭檔 <memory>）：
#include <memory>
unique_ptr<Player> hero = make_unique<Player>("勇者", 100); // 只有一個擁有者
hero->hp -= 30;
// 不需要 delete：hero 離開範圍時自動 delete
shared_ptr<Player> a = make_shared<Player>("守衛", 50); // 可以有多個擁有者
shared_ptr<Player> b = a; // 最後一個擁有者消失時才 delete
unique_ptr、shared_ptr 是 C++11 加入的，make_unique 是 C++14。本課的直譯器不支援智慧指標，所以只在這裡介紹；
在自己的電腦上用 g++ 編譯可以正常使用。
理解 new／delete 仍然重要：你會在舊程式碼、課本與面試題裡看到它們，vector 和智慧指標在內部也是這樣運作的。
動手寫：反向印出輸入的數字
程式先讀入數量 n，再讀入 n 個整數。請用 new int[n] 配置陣列存放，反向印出，最後用 delete[] 釋放。輸入區已經準備好 5 和 3 8 1 9 4（讀入時輸入的內容會顯示在輸出裡）。
重點回顧
- 區域變數放在堆疊，自動配置與釋放；
new在堆積配置，必須自己delete new T(值)配置並初始化，回傳位址；new物件會呼叫建構子，delete會呼叫解構子new[]配置執行時才決定大小的陣列，一定要用delete[]釋放；new配delete、new[]配delete[]- 沒有 delete、或弄丟位址，就是記憶體洩漏；delete 之後還使用是懸空指標；delete 兩次是 double free
- delete 之後把指標設成
nullptr，但其他複製了同一位址的指標仍然是懸空的 - 現代 C++ 優先用
vector與智慧指標（unique_ptr、shared_ptr），讓物件在解構時自動釋放記憶體