C++资源管理浅谈

标签：std 浅谈 C++ ptr 内存 new PInv 资源管理 delete

引言:

在计算机编程语言的学习与实践中，自然避免不了与计算机的资源管理打交道。所谓的资源就是，一旦用了它，将来就必须还给系统，如果用户不这么做，那糟糕的事情便会发生。在开始谈及C++的资源管理之前，先来聊聊何为计算机的资源，以及为何要管理计算机的资源。

在编程中，资源指的是计算机系统中具有有限性和共享性的各种实体或能力，它们通常是系统运行时需要使用的硬件或软件要素。

为何要进行资源管理？因为资源是有限的，不可以无止尽进行索取。正犹如存在一间房间，其容积便是用户可以使用的资源。如果不断添加家具而不清理旧家具，空间会变得拥挤，最终直至于无地栖身。程序上也是一样的，用户不断向系统索取资源，而不将其进行释放归还给系统，久而久之，系统表现愈来愈差，最后便可能会崩溃，卡住。因此，为了使程序能够良好运作，对资源进行合理的管理是必不可少的。

自动内存管理:

垃圾回收机制(Garbage Collection)

垃圾回收是自动内存管理最广泛使用的机制，主要工作在堆内存上。许多现代编程语言，如 Java、C#、Python 和 JavaScript，都使用垃圾回收机制。垃圾回收器的工作原理是自动跟踪不再使用的内存并回收这些内存。这种机制的优点很明显，能避免用户犯下一些低级的错误。当然，也带来了额外的性能开销。此处不深入讨论。

栈内存的自动管理

在编写C/C++程序中，我们可以使用malloc，new等语句来在堆区(heap)上开辟空间，也有相应的语句对其开辟的空间进行释放。但是在栈区上却并非如此，我们不需要手动在栈区上分配空间，更不需要手动释放，而这一切都得利于栈空间中的自动内存管理模式：由系统全权管理，局部变量通常在栈上分配，函数执行完毕时，栈帧自动销毁，释放内存。由于栈是 "LIFO"（后进先出）结构，因此内存的分配和回收是非常高效的。

部分语言也有自己独特的自动内存管理机制，此处就不一一列举。

手动内存管理:

常规使用new,delete手动进行管理

在 C++ 中，new 和 delete 是用于动态内存管理的关键字，分别负责在堆上分配和释放内存。用户在使用这些关键字管理内存时，应当留意以下事项：

new与delete的使用必须成对！

void dynamic_memory_allocate()
{
    /*在堆区开辟大小为4字节的空间用于存储一个int型数据
    int型指针iptr指向该空间*/ 
    int* iptr = new  int;  
    *iptr = 10;
    /*忘记了delete行为，导致内存泄漏*/
}

void dynamic_memory_allocate(int* PInv)
{
    int *iptr = new int[5];
    *PInv = 20;
    *(iptr+2) = *PInv;
    delete[] iptr;  //delete遗漏，导致内存泄漏
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
    dynamic_memory_allocate(new int);

    return 0;
}

释放对象后防止指针悬空！

void dynamic_memory_allocate()
{
    int *PInv = new int;
    delete PInv;
    *PInv = 15;	//悬空指针
    /*PInv所指向的内存被释放后仍然操纵指针。这可能会引发未定义行为*/
}

解决办法之一便是释放对象后，手动将指针置空。

void dynamic_memory_allocate()
{
    int *PInv = new int;
    delete PInv;
    PInv = nullptr;
}

成对的new与delete形式应相同！

在用new开辟空间时，其所针对的是单个对象还是一个对象数组？这个问题十分重要，因为c++中释放存在两种形式：delete | delete[]

前者用于释放动态分配的单个对象，而后者则用于释放动态分配的对象数组，二者不可混用！因为new与delete会自动调用构造与析构函数，这块内存中存在多少个对象？这个问题的答案直接影响了该有多少个析构函数该被调用起来。倘若混用，则很可能会导致未定义行为发生。

void dynamic_memory_allocate()
{
    typedef std::string MyTelephoneNum[5];
    std::string *PInv = new MyTelephoneNum;
    //delete PInv;  错误，会导致未定义行为
    delete[] PInv;  //正确，正常运行
    PInv = nullptr;
}

智能指针对象自动管理

为了减少手动管理资源时的复杂性和常见错误，C++中引入了智能指针的概念。所谓智能指针，是指封装了原始指针的类，通过 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制自动管理内存。

std::unique_ptr

其前身为std::auto_ptr，在C++11之后auto_ptr便被废除，取而代之的则是unique_ptr。std::unique_ptr 是一个独占所有权的智能指针，意味着只有一个 unique_ptr 可以拥有某块内存。当 unique_ptr 离开其作用域时，它会自动释放所拥有的内存。相比 auto_ptr，unique_ptr 提供了更安全、清晰的语义。unique_ptr 不允许拷贝，但可以通过移动语义来转移所有权，这使得资源管理更加清晰和安全。

#include <memory>	//使用时应当注意包含头文件<memory>
void dynamic_memory_allocate()
{
    std::unique_ptr<std::string> PInv(new std::string);
    *PInv = "Hello,Cpp";
    /*将开辟的空间与unique_ptr对象挂钩，不需要手动delete，当离开该作用域指针变量被销毁时
    自动调用delete进行释放*/
}

std::shared_ptr

顾名思义，既然unique是独占所有权指针，不可以有多个unique指针维护同一个对象。那shared_ptr则允许用户用多个指针维护同一个对象。即std::shared_ptr 是一个共享所有权的智能指针，多个 shared_ptr 可以同时拥有一块内存，该型指针内部维护有一个计数器，记录维护同一块空间的指针对象数目，当该数目清0时，方才调用delete进行释放。也就是说，只有当维护一块空间的最后一个指针变量离开其作用域，才会执行释放动作。

std::shared_ptr<int> dynamic_memory_allocate()
{
    std::shared_ptr<int> PInv(new int);
    std::shared_ptr<int> PInv_2 = PInv; //此种赋值在unique_ptr是不被允许的
    /*PInv_2与PInv共同维护一块内存*/
    return PInv_2;
    /*返回后PInv与PInv_2被销毁，但是计数器并未归0，因此对象并没有被释放*/
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
    /*PInv_3同样维护这块空间，只有当该作用域结束，PInv_3被销毁时方才会真正释放这片空间*/
    std::shared_ptr<int> PInv_3 = dynamic_memory_allocate();

    return 0;
}

std::weak_ptr

weak_ptr是伴随着shared_ptr而产生的一种智能型指针。用于解决 std::shared_ptr 相互引用时可能导致的循环引用问题。考虑代码如下：

class B;
class A {
public:
    std::shared_ptr<B> PInvA;
    A() : PInvA(new B) {}
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> PInvB;
    B() : PInvB(new A) {}
};

void createCycle() {
    std::shared_ptr<A> a(new A());
    std::shared_ptr<B> b(new B());
    a->PInvA = b;
    b->PInvB = a;
    /*a 和 b 在 createCycle 函数结束时会被销毁，但由于它们相互引用
，引用计数不会降为 0，导致内存不会被释放。
    从而导致内存泄漏*/
}

其解决办法便是使用weak进行观察：

class B;
class A {
public:
    std::shared_ptr<B> PInvA;
    A() : PInvA(new B) {}
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> PInvB; // 使用 weak_ptr 代替 shared_ptr
    B() : PInvB(std::shared_ptr<A>(new A)) {}
};

这样，当 shared_ptr 被销毁时，引用计数会正确降为 0，内存会被释放。

在此，智能指针我们只做如此说明。

RAII(Resource Acquisition Is Initializing)资源获取即初始化机制

RAII,与其说是机制，更是一种思想。也常被称为资源取得时机便为初始化时机。它用于确保资源在对象的生命周期内得到安全、自动化的管理。RAII的核心思想是将资源（如内存、文件句柄、锁等）的获取和释放与对象的生命周期绑定，从而避免手动管理资源可能引发的问题，如资源泄漏或不正确的释放。其核心可用一句话说明：在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源。

在c++编程中，RAII思想的运用尤为广泛，在动态内存、文件、锁或网络连接等方面均有应用。其基本原理便是在构造函数中关联资源的分配，在其析构函数中关联对象的释放。利用c++中对象的特殊机制，达到相对自动化管理内存的目的。

class ManageMyString
{
private:
    char *PInv;

public:
    ManageMyString(const char *str)
    {
        if (str)
        {
            PInv = new (char[strlen(str) + 1]);
            strcpy(this->PInv,str);
        }
        else
        {
            PInv = new(char[1]);
            *PInv = '\0';
        }
    }
    //禁用拷贝与赋值
    ManageMyString(const ManageMyString&) = delete;
    ManageMyString& operator=(const ManageMyString&) = delete;

    ~ManageMyString()
    {
        delete[] this->PInv;
    }
};

以上代码便是RAII思想的一例具体应用案例：构造函数中根据传入的字符串分配对应的内存，并且将字符串复制到所分配的内存中。因此，一个ManageMyString对象便维护了一个指向字符串的指针变量。当该对象被销毁时，析构函数中调用delete释放掉所维护的内存。

该行为与智能指针，以及在栈区上的内存管理机制相同。RAII将对象与资源管理相绑定，合理运用能够极大减轻资源管理的压力以及难度。

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