C++中的资源管理：堆、栈和RAII

基础概念

C++的内存管理中存在一些基础概念，下面将分别进行介绍。

堆

英文名为heap，指的是内存中被动态分配的区域，内存管理中的堆和数据结构中的堆不同，该部分内存在被分配后，需要手动释放，不然会造成内存泄露。

在C++中，堆中存在一个子集，其名称为自由存储区（free store），特指使用new和delete进行分配和释放的区域。而malloc和free操作的是heap。new和delete的底层通常使用malloc和free实现，因而一般情况下不进行自由存储区和heap的区分。

在现代编程中，使用堆或者动态内存分配是随处可见的，如下述代码都会在堆上分配内存：

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// C++
auto ptr = new std::vector<int>();

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// Java
ArrayList<int> list = new ArrayList<int>();

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# Python
lst = list()

动态内存会带来不确定性，如内存分配耗时、分配失败等，因而在一些实时性要求较高的场合会禁用动态内存。

在进行动态内存分配时，程序通常会涉及三个可能的内存管理器的操作：

让内存管理器分配一个某个大小的内存块。
让内存管理器释放一个之前分配的内存块。
让内存管理器进行垃圾收集操作，寻找不再使用的内存块并予以释放。

C++一般会运行上述的第一条和第二条；Java会运行上述的第一条和第三条；Python会运行上述三条。上述三个操作都较为复杂，且相互关联。

分配内存时要考虑程序当前还有多少未分配的内存。当剩余内存不足时需要向操作系统申请新的内存；内存充足时，从可用的内存区域中划分出一块合适大小的内存，将其标记为可用后，返回给请求内存的代码。

一般情况下，可用内存都比要求分配的内存大，因而代码只被允许使用其被分配的内存区域，剩余的区域仍属于未分配状态，可以在后续分配中被使用。同时，如果内存管理器支持垃圾收集，分配内存的操作还有可能出发垃圾回收机制。
释放内存不只是简单地将内存标记为未使用。对于连续的未使用的内存块，内存管理器会将其合并为一个大块，以满足后续的较大内存分配要求。
垃圾收集操作有很多不同的策略和实现方式，以实现性能、实时性和额外开销等各方面的平衡。C++中通常不使用垃圾收集机制。

下图为可视化内存分配过程：

内存分配
内存释放与合并

在没有垃圾收集的情况下，需要手动进行内存的释放，有可能会导致内存的碎片化。但是，通常我们不需要考虑这些问题，内存分配和释放由内存管理器完成，我们只需要正确使用new和delete即可。

但是，当我们忘记在使用new后调用对应的delete时，就会导致内存泄露的发生。如下述代码：


void foo()
{
  bar* ptr = new bar();
  …
  delete ptr;
}

上述代码虽然最终使用了delete释放动态申请的内存，但是实际上，在运行过程中中间部分的代码可能会产生异常，进而无法运行到delete语句；同时，这种情况下，一般不需要申请堆内存。

更常见的情况是：分配和释放的代码不在同一个函数中：


bar* make_bar(…)
{
  …
  try {
    bar* ptr = new bar();
    …
  }
  catch (...) {
    delete ptr;
    throw;
  }
  return ptr;
}

void foo()
{
  …
  bar* ptr = make_bar(…)
  …
  delete ptr;
}

此时就更可能遗漏delete。

栈

英文名为stack，在内存管理中，指的是函数调用过程中产生的本地变量和所调用的数据的存放区域。类似于数据结构中的栈，满足“后进先出”。给出示例代码如下：


void foo(int n)
{
  …
}

void bar(int n)
{
  int a = n + 1;
  foo(a);
}

int main()
{
  …
  bar(42);
  …
}

这段代码的栈的变化如下：

上图中的栈是向上增长的，在包含X86在内的大部分计算机体系架构中，栈的增长方向是低地址。任何一个函数，只能使用进入函数时栈指针向上部分的栈空间。当函数调用另一个函数时，会将参数压栈（忽略使用寄存器传递参数的情况），接着将下一行汇编指令的地址压栈，然后跳转到新函数处。进入新函数后，会首先执行必要的保存工作，接着调整栈指针，分配本地变量所需的空间，接着执行函数中的代码，执行完毕后，依据调用函数压入栈的地址，返回到被调用函数之后的未执行代码处继续执行。

栈上的内存操作有以下特点：

栈上进行内存分配非常简单，移动栈顶指针即可。
栈上内存的释放同样很简单，函数调用结束后移动栈顶指针即可。
后进先出的执行特点不可能导致内存碎片的产生。

上图中不同颜色的内存区域属于不同的函数，将各个内存空间成为栈帧。

上述的本地变量在C++中被称为POD（Plain Old Data）类型。有构造函数和析构函数的非POD类型，栈的内存分配同样有效。

比较重要的一点是：编译器会自动调用析构函数，当函数执行发生异常时同样会调用，发生异常时对析构函数的调用被成为栈展开（stack unwinding）。栈展开示意代码如下：


#include <stdio.h>

class Obj {
public:
  Obj() { puts("Obj()"); }
  ~Obj() { puts("~Obj()"); }
};

void foo(int n)
{
  Obj obj;
  if (n == 42)
    throw "life, the universe and everything";
}

int main()
{
  try {
    foo(41);
    foo(42);
  }
  catch (const char* s) {
    puts(s);
  }
}

输出如下：

Obj()
~Obj()
Obj()
~Obj()
life, the universe and everything

可见，在程序发生异常时编译器自动调用了Obj的析构函数。

在C++中，所有的变量缺省都是值语义，也就是说不使用指针或者引用，变量不会自动引用一个堆上的对象。对于智能指针类型，使用ptr->call()和ptr.get()都是正确的，而其它大部分语言都使用.访问成员，实际上等于C++的->。

RAII(Resource Acquisition Is Initialization)

C++支持将对象存储在栈上，但在有些情况下我们不希望将对象存储在栈上，例如：

对象很大；
对象的大小在编译时无法确定；
对象是函数的返回值，但是有时不能使用对象的值返回。

如在工厂方法或其他面向对象编程的情况下，返回值类型是基类：


enum class shape_type {
  circle,
  triangle,
  rectangle,
  …
};

class shape { … };
class circle : public shape { … };
class triangle : public shape { … };
class rectangle : public shape { … };

shape* create_shape(shape_type type)
{
  …
  switch (type) {
  case shape_type::circle:
    return new circle(…);
  case shape_type::triangle:
    return new triangle(…);
  case shape_type::rectangle:
    return new rectangle(…);
  …
  }
}

上述的create_shape方法返回一个shape对象，对象的实际类型为shape的某个子类，如circle、triangle等。此时，函数的返回值只能是指针或其变体形式，而不能采用值返回的形式。

采用值返回的形式可能会导致如下的问题：如果函数的返回类型是shape，但实际返回的是一个circle对象，编译器不会报错，但是返回对象多半是错误的，C++会对返回的circle对象执行对象切片操作（object slicing），这是C++特有的编码错误，应该小心。

那么如何保证在使用create_shape的返回值时不会发生内存泄露？

我们只需要把这个返回值放到一个本地变量里，并确保其析构函数会删除该对象即可，如下所示：


class shape_wrapper {
public:
  explicit shape_wrapper(
    shape* ptr = nullptr)
    : ptr_(ptr) {}
  ~shape_wrapper()
  {
    delete ptr_;
  }
  shape* get() const { return ptr_; }
private:
  shape* ptr_;
};

void foo()
{
  …
  shape_wrapper ptr_wrapper(
    create_shape(…));
  …
}

观察上述代码，在shape_wrapper的析构函数中进行了必要的清理工作，这就是RAII的基本用法，这种清理不仅限于释放内存，也可以在析构函数中进行：

关闭文件；
释放同步锁；
释放其他重要的系统资源。

参考

现代C++实战30讲