C++學習之如何進行內(nèi)存資源管理

更新時間：2023年05月21日 10:42:09 作者：會玩code

與java、golang等自帶垃圾回收機制的語言不同，C++并不會自動回收內(nèi)存，這往往會導致內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出等問題，所以掌握C++中的內(nèi)存管理技巧和工具是非常重要的，本文就來和大家詳細講講

前言

與java、golang等自帶垃圾回收機制的語言不同，C++并不會自動回收內(nèi)存。我們必須手動管理堆上內(nèi)存分配和釋放，這往往會導致內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出等問題。而且，這些問題可能不會立即出現(xiàn)，而是運行一段時間后，才會暴露出現(xiàn)，排查也很困難。因此，了解和掌握C++中的內(nèi)存管理技巧和工具是非常重要的，可以提高程序性能、減少錯誤和增加安全性。

內(nèi)存分區(qū)

在C++中，將操作系統(tǒng)分配給程序的內(nèi)存空間按照用途劃分了代碼段、數(shù)據(jù)段、棧、堆幾個不同的區(qū)域，每個區(qū)域都有其獨特的內(nèi)存管理機制。

代碼區(qū)

代碼區(qū)是用于存儲程序代碼的區(qū)域，代碼段在程序真正執(zhí)行前就被加載到內(nèi)存中，在程序執(zhí)行期間，代碼區(qū)內(nèi)存不會被修改和釋放。

由于代碼區(qū)是只讀的，所以會被多個進程共享。在多個進程同時執(zhí)行同一個程序時，操作系統(tǒng)只需要將代碼段加載到內(nèi)存中一次，然后讓多個進程共享這個內(nèi)存區(qū)域即可。

數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段用于存儲靜態(tài)全局變量、靜態(tài)局部變量和靜態(tài)常量等靜態(tài)數(shù)據(jù)。在程序運行期間，數(shù)據(jù)段的大小固定不變，但其內(nèi)容可以被修改。按照變量是否被初始化。數(shù)據(jù)段可分為已初始化數(shù)據(jù)段和未初始化數(shù)據(jù)段。

棧

C++中函數(shù)調(diào)用以及函數(shù)內(nèi)的局部變量的使用，都是通過棧這個內(nèi)存分區(qū)實現(xiàn)的。棧分區(qū)由操作系統(tǒng)自動分配和釋放，是一種"后進先出"的一種內(nèi)存分區(qū)。每個棧的大小是固定的，一般只有幾MB，所以如果棧變量太大，或者函數(shù)調(diào)用嵌套太深，容易發(fā)生棧溢出（stack overflow）。

先來一段示例代碼，看看C++是如何使用棧進行使用棧來進行函數(shù)調(diào)用的。

#include?<iostream>

void?inner(int?a)?{
????std::cout?<<?a?<<?std::endl;
}
void?outer(int?n)?{
?int?a?=?n?+?1;
????inner(a);
}

int?main()?{
????outer(4);
}

上面這段代碼運行過程中的棧變化如下圖

每當程序調(diào)用一個函數(shù)時，該函數(shù)的參數(shù)、局部變量和返回地址等信息會被壓入棧中。當函數(shù)執(zhí)行完畢，再將這些信息從棧中彈出。根據(jù)之前壓入的外層調(diào)用者壓入棧的返回地址，返回到外層調(diào)用者未執(zhí)行的代碼繼續(xù)執(zhí)行。

本地變量是直接存儲在棧上的，當函數(shù)執(zhí)行完成后，這些變量占用的內(nèi)存就會被釋放掉了。前面例子中的本地變量是簡單類型，在C++中稱為POD類型。對于帶有構造和析構函數(shù)的非POD類型變量，棧上的內(nèi)存分配同樣有效。編譯器會在合適的時機，插入對構造函數(shù)和析構函數(shù)的調(diào)用。

這里有個問題，當函數(shù)執(zhí)行發(fā)生異常時，析構函數(shù)還會被調(diào)用嗎？答案是會的，C++對于發(fā)生異常時對析構函數(shù)的調(diào)用稱為"棧展開"。通過下面這段代碼演示棧展開。

#include?<iostream>
#include?<string>

class?Obj?{
public:
????std::string?name_;
????Obj(const?std::string&?name):name_(name){std::cout?<<?"Obj()?"?<<?name_?<<?std::endl;};
????~Obj()?{std::cout?<<?"~Obj()?"?<<?name_?<<?std::endl;};
};


void?bar()?{
????auto?o?=?Obj{"bar"};
????throw?"bar?exception";
}

int?main()?{
????try?{
????????bar();
????}?catch?(const?char*?e)?{
????????std::cout?<<?"catch?Exception:?"?<<?e?<<?std::endl;
????}
}

執(zhí)行代碼的結果是:

Obj() bar
~Obj() bar
catch Exception: bar exception

可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生異常時，bar函數(shù)中的本地變量o還是能被正常析構。

棧展開的過程實際上是異常發(fā)生時，匹配catch子句的過程。

程序拋出異常，停止當前執(zhí)行的調(diào)用鏈，開始尋找與異常匹配的catch子句。
如果異常發(fā)生在try中，則會首先檢查與該try塊匹配的catch子句。如果異常所在函數(shù)體沒有try捕獲異常。則會直接進入下一步。
如果第二步未找到匹配的catch，則會在外層的try塊中查找，直到找到為止。
如果到了最外層還沒有找到匹配的catch，也就是說異常得不到處理，程序會調(diào)用標準庫函數(shù)terminate終止函數(shù)的執(zhí)行。

在這期間，棧上所有的對象都會被自動析構。

堆

堆是C++中用來存儲動態(tài)分配內(nèi)存的內(nèi)存分區(qū)，堆內(nèi)存的分配和釋放需要手動管理，可以通過new/delete或malloc/free等函數(shù)進行分配和釋放。堆內(nèi)存的大小通常是不固定的，當我們需要動態(tài)分配內(nèi)存時，就可以使用堆內(nèi)存。

堆內(nèi)存由程序員手動分配和釋放，因此使用堆內(nèi)存需要注意內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出等問題。當程序員忘記釋放已分配的內(nèi)存時，會導致內(nèi)存泄漏問題。而當申請的堆內(nèi)存超過了操作系統(tǒng)所分配給進程的內(nèi)存限制時，會導致內(nèi)存溢出問題。

C++程序絕大多數(shù)的內(nèi)存泄露，都是由于忘記調(diào)用delete/free來釋放堆上的資源。

還是上代碼

#include?<iostream>
#include?<string>

class?Obj?{
public:
????std::string?name_;
????Obj(const?std::string&?name):name_(name){std::cout?<<?"Obj()?"?<<?name_?<<?std::endl;};
????~Obj()?{std::cout?<<?"~Obj()?"?<<?name_?<<?std::endl;};
};

Obj*?makeObj()?{
?Obj*?obj?=?nullptr;
?try?{
??obj?=?new?Obj{"makeObj"};
??...
?}?catch(...)?{
??delete?obj;
??throw;
?}
?return?obj;
}

Obj*?foo()?{
?Obj*?obj?=?nullptr;
?try?{
??obj?=?makeObj();
??...
?}?catch(...)?{
??delete?obj;
?}
?return?obj;
}
int?main()?{
????Obj*?obj?=?foo();
????...
????delete?obj;
}

可以看到，由makeObj函數(shù)創(chuàng)建的堆變量obj, 在每個獲取該變量的上層調(diào)用中，都需要關心對該變量的處理。這無疑極大得增加了開發(fā)者的心智負擔。

RAII

想在堆上創(chuàng)建對象，又不想處理這么復雜的內(nèi)存釋放操作。C++沒有像java、golang其他語言創(chuàng)建一套垃圾回收機制，而是采用了一種特有的資源管理方式 --- RAII（Resource Acquisition Is Initialization，資源獲取即初始化）。

RAII利用棧對象在作用域結束后會自動調(diào)用析構函數(shù)的特點，通過創(chuàng)建棧對象來管理資源。在棧對象構造函數(shù)中獲取資源，在棧對象析構函數(shù)中負責釋放資源，以此保證資源的獲取和釋放。

下面給出一個通過RAII來自動釋放堆內(nèi)存的例子

#include?<iostream>

class?AutoIntPtr?{
public:
????AutoIntPtr(int*?p?=?nullptr)?:?ptr(p)?{}
????~AutoIntPtr()?{?delete?ptr;?}

????int&?operator*()?const?{?return?*ptr;?}
????int*?operator->()?const?{?return?ptr;?}

private:
????int*?ptr;
};

void?foo()?{
?AutoIntPtr?p(new?int(5));
????std::cout?<<?*p?<<?std::endl;?//?5
}

int?main()?{
????foo();
}

上面例子中，AutoIntPtr類封裝了一個動態(tài)分配的int類型的指針，它的構造函數(shù)用于獲取資源(ptr = p)，析構函數(shù)用于釋放資源(delete ptr)。當AutoIntPtr超出作用域時，自動調(diào)用析構函數(shù)來釋放所包含的資源。

基于RAII，C++11引入了std::unique_ptr和std::shared_ptr等智能指針用于內(nèi)存管理類，使得內(nèi)存管理變得更加方便和安全。這些內(nèi)存管理類可以自動進行內(nèi)存釋放，避免了手動釋放內(nèi)存的繁瑣工作。值得一提的是，上面的AutoIntPtr就是一個簡化版的智能指針了。

在實際開發(fā)中，RAII的應用很廣。不僅僅用于自動釋放內(nèi)存。還可以用來關閉文件、釋放數(shù)據(jù)庫連接、釋放同步鎖等。