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(dǎo)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  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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(gòu)造和析構(gòu)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(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用。

這里有個問題，當(dāng)函數(shù)執(zhí)行發(fā)生異常時，析構(gòu)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(gòu)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  #include  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(jié)果是:

obj()bar
~obj()bar
catchexception:barexception

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(gòu)。

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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)。

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(dāng)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(dāng)程序員忘記釋放已分配的內(nèi)存時，會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏問題。而當(dāng)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(dǎo)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  #include  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(guān)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(fù)擔(dān)。

raii

想在堆上創(chuàng)建對象，又不想處理這么復(fù)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(jié)束后會自動調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的特點，通過創(chuàng)建棧對象來管理資源。在棧對象構(gòu)造函數(shù)中獲取資源，在棧對象析構(gòu)函數(shù)中負(fù)責(zé)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  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(gòu)造函數(shù)用于獲取資源(ptr = p)，析構(gòu)函數(shù)用于釋放資源(delete ptr)。當(dāng)autointptr超出作用域時，自動調(diào)用析構(gòu)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(yīng)用很廣。不僅僅用于自動釋放內(nèi)存。還可以用來關(guān)閉文件、釋放數(shù)據(jù)庫連接、釋放同步鎖等。

總結(jié)

本文介紹了c++中的內(nèi)存管理機制，包括內(nèi)存分區(qū)、棧、堆和raii技術(shù)等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)本文，我們可以更好地掌握c++的內(nèi)存管理技巧，避免內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出等問題。