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前言

本文的內(nèi)容將專門對付內(nèi)存管理，培養(yǎng)起有借有還的好習慣，方可消除資源管理的問題。

正文

所謂的資源就是，一旦用了它，將來必須還給系統(tǒng)。如果不是這樣，糟糕的事情就會發(fā)生。

C++ 程序內(nèi)常見的資源：

• 動態(tài)分配內(nèi)存

• 文件描述符

• 互斥鎖

• 圖形頁面中的字型和筆刷

• 數(shù)據(jù)庫連接

• 網(wǎng)絡(luò) sockets

無論哪一種資源，重要的是，當你不再使用它時，必須將它還給系統(tǒng)，有借有還是個好習慣。

細節(jié) 01 ：以對象管理資源

把資源放在析構(gòu)函數(shù)，交給析構(gòu)函數(shù)釋放資源

假設(shè)某個 class 含有個工廠函數(shù)，該函數(shù)獲取了對象的指針：

A* createA();    // 返回指針，指向的是動態(tài)分配對象。
                 // 調(diào)用者有責任刪除它。

如上述注釋所言，createA 的調(diào)用端使用了函數(shù)返回的對象后，有責任刪除它?，F(xiàn)在考慮有個f函數(shù)履行了這個責任:

void f()
{
    A *pa = createA();  // 調(diào)用工廠函數(shù)
    ...                 // 其他代碼
    delete pa;          // 釋放資源
}

這看起來穩(wěn)妥，但存在若干情況f函數(shù)可能無法執(zhí)行到delete pa語句，也就會造成資源泄漏，例如如下情況：

• 或許因為「…」區(qū)域內(nèi)的一個過早的 return 語句；

• 或許因為「…」區(qū)域內(nèi)的一個循環(huán)語句過早的continue 或 goto 語句退出；

• 或許因為「…」區(qū)域內(nèi)的語句拋出異常，無法執(zhí)行到 delete。

當然可以通過謹慎地編寫程序可以防止這一類錯誤，但你必須想想，代碼可能會在時間漸漸過去后被修改，如果是一個新手沒有注意這一類情況，那必然又會再次有內(nèi)存泄漏的可能性。

為確保 A 返回的資源都是被回收，我們需要將資源放進對象內(nèi)，當對象離開作用域時，該對象的析構(gòu)函數(shù)會自動釋放資源。

「智能指針」是個好幫手，交給它去管理指針對象。

對于是由動態(tài)分配（new）于堆內(nèi)存的對象，指針對象離開了作用域并不會自動調(diào)用析構(gòu)函數(shù)（需手動delete），為了讓指針對象能像普通對象一樣，離開作用域自動調(diào)用析構(gòu)函數(shù)回收資源，我們需要借助「智能指針」的特性。

常用的「智能指針」有如下三個：

• std::auto_ptr（ C++ 98 提供、C++ 11 建議摒棄不用 ）

• std::unique_ptr（ C++ 11 提供 ）

• std::shared_ptr（ C++ 11 提供 ）

std::auto_ptr

下面示范如何使用 std::auto_ptr 以避免 f 函數(shù)潛在的資源泄漏可能性：

void f()
{
    std::auto_ptr<A> pa (createA()); // 調(diào)用工廠函數(shù)
    ...  // 一如既往的使用pa
}        // 離開作用域后，經(jīng)由 auto_ptr 的析構(gòu)函數(shù)自動刪除pa;

這個簡單的例子示范「以對象管理資源」的兩個關(guān)鍵想法：

• 獲得資源后立刻放進管理對象內(nèi)。以上代碼中 createA 返回的資源被當做其管理者 auto_ptr 的初值，也就立刻被放進了管理對象中。

• 管理對象運用析構(gòu)函數(shù)確保資源釋放。不論控制流如何離開區(qū)塊，一旦對象被銷毀（例如當對象離開作用域）其析構(gòu)函數(shù)自然會被自動調(diào)用，于是資源被釋放。

為什么在 C++11 建議棄用 auto_ptr 嗎？當然是 auto_ptr 存在缺陷，所以后續(xù)不被建議使用。

auto_ptr 有一個不尋常的特質(zhì)：若通過「復制構(gòu)造函數(shù)或賦值操作符函數(shù)」 copy 它們，它們會變成 null ，而復制所得的指針將獲取資源的唯一擁有權(quán)！
見如下例子說明：

std::auto_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物

std::auto_ptr<A> pa2(pa1); // 現(xiàn)在 pa2 指向?qū)ο?，pa1將被設(shè)置為 null

pa1 = pa2; // 現(xiàn)在 pa1 指向?qū)ο?，pa2 將被設(shè)置為 null

這一詭異的復制行為，如果再次使用指向為 null 的指針，那必然會導致程序奔潰。
意味著 auto_ptr 并非管理動態(tài)分配資源的神兵利器。

std::unique_ptr

unique_ptr 也采用所有權(quán)模型，但是在使用時，是直接禁止通過復制構(gòu)造函數(shù)或賦值操作符函數(shù) copy 指針對象，如下例子在編譯時，會出錯：

std::unique_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物

std::unique_ptr<A> pa2(pa1); // 編譯出錯！

pa1 = pa2; // 編譯出錯！

std::shared_ptr

shared_ptr 在使用復制構(gòu)造函數(shù)或賦值操作符函數(shù)后，引用計數(shù)會累加并且兩個指針對象指向的都是同一個塊內(nèi)存，這就與 unique_ptr、auto_ptr 不同之處。

void f()
{
    std::shared_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物

    std::shared_ptr<A> pa2(pa1); // 引用計數(shù)+1，pa2和pa1指向同一個內(nèi)存

    pa1 = pa2; // 引用計數(shù)+1，pa2和pa1指向同一個內(nèi)存
}

當一個對象離開作用域，shared_ptr 會把引用計數(shù)值 -1 ，直到引用計數(shù)值為 0 時，才會進行刪除對象。

由于 shared_ptr 釋放空間時會事先要判斷引用計數(shù)值的大小，因此不會出現(xiàn)多次刪除一個對象的錯誤。

小結(jié) - 請記住

• 為防止資源泄漏，請使用 RAII（Resource Acquisition Is Initaliaztion - 資源取得時機便是初始化時機） 對象，它們在構(gòu)造函數(shù)中獲取資源，并在析構(gòu)函數(shù)中是釋放資源

• 兩個建議使用的 RAII classes 分別是 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。前者不允許 copy 動作，后者允許 copy 動作。但是不建議用 std::auto_ptr，若選 auto_ptr，復制動作會使它（被復制物）指向 null 。

細節(jié) 02：在資源管理類中小心 copying 行為

假設(shè)，我們使用 C 語音的 API 函數(shù)處理類型為 Mutex 的互斥對象，共有 lock 和 unlock 兩函數(shù)可用：

void locak(Mutex *pm);  // 鎖定 pm 所指的互斥器
void unlock(Mutex* pm); // 將互斥器解除鎖定

為確保絕不會忘記一個被鎖住的 Mutex 解鎖，我們可能會希望創(chuàng)立一個 class 來管理鎖資源。這樣的 class 要遵守 RAII 守則，也就是「資源在構(gòu)造期間獲得，在析構(gòu)釋放期間釋放」：

class Lock
{
public:
    explicit Lock(Mutex *pm) // 構(gòu)造函數(shù)
        : pMutex(pm)
    {
        lock(pMutex);
    }

    ~Lock()  // 析構(gòu)函數(shù)
    {
        unlock(pMutex);
    }
private:
    Mutex* pMutex;
};

這樣定義的 Lock，用法符合 RAII 方式：

Mutex m;      //定義你需要的互斥鎖
... 
{                 // 建立一個局部區(qū)塊作用域
    Lock m1(&m);  // 鎖定互斥器
    ...
}                 // 在離開區(qū)塊作用域，自動解除互斥器鎖定

這很好，但如果 Lock 對象被復制，會發(fā)生什么事情？

Lock m1(&m);  // 鎖定m
Lock m2(&m1); // 將 m1 復制到 m2身上，這會發(fā)生什么？

這是我們需要思考和面對的：「當一個 RAII 對象被復制，會發(fā)生什么事情？」大多數(shù)時候你會選擇以下兩種可能：

• 禁止復制。如果 RAII 不允許被復制，那我們需要將 class 的復制構(gòu)造函數(shù)和賦值操作符函數(shù)聲明在 private。

• 使用引用計數(shù)法。有時候我們希望保有資源，直到它的最后一個對象被消耗。這種情況下復制 RAII 對象時，應(yīng)該將資源的「被引用數(shù)」遞增。std::shared_ptr 便是如此。

如果前述的 Lock 打算使用使用引用計數(shù)法，它可以使用 std::shared_ptr 來管理 pMutex 指針，然后很不幸 std::shared_ptr 的默認行為是「當引用次數(shù)為 0 時刪除其所指物」那不是我們想要的行為，因為要對Mutex釋放動作是解鎖而非刪除。

幸運的是 std::shared_ptr 允許指定自定義的刪除方式，那是一個函數(shù)或函數(shù)對象。如下：

class Lock
{
public:
    explicit Lock(Mutex *pm)  
        : pMutex(pm, unlock)  // 以某個 Mutex 初始化 shared_ptr，
                              // 并以 unlock 函數(shù)為刪除器。
    {
        lock(pMutex.get());  // get 獲取指針地址
    }

private:
    std::shared_ptr<Mutex> pMutex; // 使用 shared_ptr
};

請注意，本例的 Lock class 不再聲明析構(gòu)函數(shù)。因為編譯器會自動創(chuàng)立默認的析構(gòu)函數(shù)，來自動調(diào)用其 non-static 成員變量（本例為 pMutex ）的析構(gòu)函數(shù)。

而 pMutex 的析構(gòu)函數(shù)會在互斥器的引用次數(shù)為 0 時，自動調(diào)用 std::shared_ptr 的刪除器（本例為 unlock ）。

小結(jié) - 請記住

• 復制 RAII 對象必須一并復制它的所管理的資源（深拷貝），所以資源的 copying 行為決定 RAII 對象的 copying 行為。

• 普通而常見的 RAII class copying 行為是：禁止 copying、執(zhí)行引用計數(shù)法。

細節(jié) 03 ：在資源類中提供對原始資源的訪問

智能指針「顯式」轉(zhuǎn)換，也就是通過 get 成員函數(shù)的方式轉(zhuǎn)換為原始指針對象。

上面提到的「智能指針」分別是：std::auto_ptr、std::unique_ptr、std::shared_ptr。它們都有訪問原始資源的辦法，都提供了一個 get 成員函數(shù)，用來執(zhí)行顯式轉(zhuǎn)換，也就是它會返回智能指針內(nèi)部的原始指針（的復件）。

舉個例子，使用智能指針如 std::shared_ptr 保存 createA() 返回的指針對象 ：

std::shared_ptr<A> pA(createA());

假設(shè)你希望以某個函數(shù)處理 A 對象，像這樣：

int getInfo(const A* pA);

你想這么調(diào)用它：

std::shared_ptr<A> pA(createA());
getInfo(pA);       // 錯誤！！

會編譯錯誤，因為 getInfo 需要的是 A 指針對象，而不是類型為 std::shared_ptr<A> 的對象。

這時候就需要用 std::shared_ptr 智能指針提供的 get 成員函數(shù)訪問原始的資源：

std::shared_ptr<A> pA(createA());
getInfo(pA.get());   // 很好，將 pA 內(nèi)的原始指針傳遞給 getInfo

智能指針「隱式」轉(zhuǎn)換的方式，是通過指針取值操作符。

智能指針都重載了指針取值操作符（operator->和operator*），它們允許隱式轉(zhuǎn)換至底部原始指針：

class A
{
public：
    bool isExist() const;
    ...
};

A* createA();  // 工廠函數(shù)，創(chuàng)建指針對象

std::shared_ptr<A> pA(createA()); // 令 shared_ptr 管理對象資源

bool exist = pA->isExist();    // 經(jīng)由 operator-> 訪問資源
bool exist2 = (*pA).isExist(); // 經(jīng)由 operator* 訪問資源

多數(shù)設(shè)計良好的 classes 一樣，它隱藏了程序員不需要看到的部分，但是有程序員需要的所有東西。

所以對于自身設(shè)計 RAII classes 我們也要提供一個「取得其所管理的資源」的辦法。

小結(jié) - 請記住

• APIs 往往要求訪問原始資源，所以每一個 RAII class 應(yīng)該提供一個「取得其所管理的資源」的辦法。

• 對原始資源的訪問可能經(jīng)由顯式轉(zhuǎn)換或隱式轉(zhuǎn)換。一般而言顯式轉(zhuǎn)換比較安全，但隱式轉(zhuǎn)換比較方便。

細節(jié) 04：成對使用 new 和 delete

以下動作有什么錯？

std::string* strArray = new std::string[100];
...
delete strArray;

每件事情看起來都井然有序。使用了 new，也搭配了對應(yīng)的 delete。但還是有某樣東西完全錯誤。strArray 所含的 100 個 string 對象中的 99 個不太可能被適當刪除，因為它們的析構(gòu)函數(shù)很可能沒有被調(diào)用。

當使用 new ，有兩件事發(fā)生：

• 內(nèi)存被分配出來（通過名為 operator new 的函數(shù)）

• 針對此內(nèi)存會有一個或多個構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用

當使用 delete，也會有兩件事情：

• 針對此內(nèi)存會有一個或多個析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用

• 然后內(nèi)存才被釋放（通過名為 operator delete 的函數(shù)）

delete 的最大問題在于：即將被刪除的內(nèi)存之內(nèi)究竟有多少對象？這個答案決定了需要執(zhí)行多少個析構(gòu)函數(shù)。

對象數(shù)組所用的內(nèi)存通常還包括「數(shù)組大小」的記錄，以便 delete 知道需要調(diào)用多少次析構(gòu)函數(shù)。單一對象的內(nèi)存則沒有這筆記錄。你可以把兩者不同的內(nèi)存布局想象如下，其中 n 是數(shù)組大?。?/p>

當你對著一個指針使用 delete，唯一能夠讓 delete 知道內(nèi)存中是否存在一個「數(shù)組大小記錄」的辦法就是：由你告訴它。如果你使用 delete 時加上中括號[]，delete 便認定指針指向一個數(shù)組，否則它便認定指針指向一個單一對象：

std::string* strArray = new std::string[100];
std::string* strPtr = new std::strin;
... 
delete [] strArray;  // 刪除一個對象數(shù)組
delete strPtr;       // 刪除一個對象

游戲規(guī)則很簡單：

• 如果你在 new 表達式中使用[]，必須在相應(yīng)的 delete 表達式也使用[]。

• 如果你在 new 表達式中不使用[]，一定不要在相應(yīng)的 delete 表達式使用[]。

小結(jié) - 請記住

• 如果你在 new 表達式中使用[]，必須在相應(yīng)的 delete 表達式也使用[]。如果你在 new 表達式中不使用[]，一定不要在相應(yīng)的 delete 表達式使用[]。

細節(jié) 05：以獨立語句將 newed 對象置入智能指針

假設(shè)我們有個以下示范的函數(shù)：

int getNum();
void fun(std::shared_ptr<A> pA, int num);

現(xiàn)在考慮調(diào)用 fun：

fun(new A(), getNum());

它不能通過編譯，因為 std::shared_ptr 構(gòu)造函數(shù)需要一個原始指針，而且該構(gòu)造函數(shù)是個 explicit 構(gòu)造函數(shù)，無法進行隱式轉(zhuǎn)換。如果寫成這樣就可以編譯通過：

fun(std::shared_ptr<A>(new A), getNum());

令人想不到吧，上述調(diào)用卻可能泄露資源。接下來我們來一步一步的分析為什么存在內(nèi)存泄漏的可能性。

在進入 fun 函數(shù)之前，肯定會先執(zhí)行各個實參。上述第二個實參只是單純的對 getNum 函數(shù)的調(diào)用，但第一個實參 std::shared_ptr<A>(new A) 由兩部分組成：

• 執(zhí)行 new A 表達式

• 調(diào)用 std::shared_ptr 構(gòu)造函數(shù)

于是在調(diào)用 fun 函數(shù)之前，先必須做以下三件事：

• 調(diào)用 getNum 函數(shù)

• 執(zhí)行 new A 表達式

• 調(diào)用 std::shared_ptr 構(gòu)造函數(shù)

那么他們的執(zhí)行次序是一定如上述那樣的嗎？可以確定的是 new A 一定比 std::shared_ptr 構(gòu)造函數(shù)先被執(zhí)行。但對 getNum 調(diào)用可以排在第一或第二或第三執(zhí)行。

如果編譯器選擇以第二順位執(zhí)行它：

1. 執(zhí)行 new A 表達式

2. 調(diào)用 getNum 函數(shù)

3. 調(diào)用 std::shared_ptr 構(gòu)造函數(shù)
   萬一在調(diào)用 getNum 函數(shù)發(fā)生了異常，會發(fā)生什么事情？在此情況下 new A 返回的指針將不會置入 std::shared_ptr 智能指針里，就存在內(nèi)存泄漏的現(xiàn)象。

避免這類問題的辦法很簡單：使用分離語句。

分別寫出：

1. 創(chuàng)建 A

2. 將它置入一個智能指針內(nèi)

3. 然后再把智能指針傳遞給 fun 函數(shù)。

std::shared_ptr<A> pA(new A); // 先構(gòu)造智能指針對象
fun(pA, getNum()); // 這個調(diào)用動作絕不至于造成泄漏。

以上的方式，就能避免原本由于次序?qū)е聝?nèi)存泄漏發(fā)生。

小結(jié) - 請記住

• 以獨立語句將 newed （已 new 過） 對象存儲于智能指針內(nèi)。如果不這樣做，一旦異常被拋出，有可能導致難以察覺的資源泄漏。

最后

本文部分內(nèi)容參考了《Effective C++ （第3版本）》第三章節(jié)內(nèi)容，前兩章節(jié)的總結(jié)內(nèi)容可看舊文「學過 C++ 的你，不得不知的這 10 條細節(jié)！」