【重學C++】01| C++ 如何進行記憶體資源管理？

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前言

大家好，我是只講技術乾貨的會玩code，今天是【重學C++】的第一講，我們來學習下C++的記憶體管理。

與java、golang等自帶垃圾回收機制的語言不同，C++並不會自動回收記憶體。我們必須手動管理堆上記憶體分配和釋放，這往往會導致記憶體泄漏和記憶體溢出等問題。而且，這些問題可能不會立即出現，而是運行一段時間後，才會暴露出現，排查也很困難。因此，瞭解和掌握C++中的記憶體管理技巧和工具是非常重要的，可以提高程式性能、減少錯誤和增加安全性。

記憶體分區

在C++中，將操作系統分配給程式的記憶體空間按照用途劃分了代碼段、數據段、棧、堆幾個不同的區域，每個區域都有其獨特的記憶體管理機制。

代碼區

代碼區是用於存儲程式代碼的區域，代碼段在程式真正執行前就被載入到記憶體中，在程式執行期間，代碼區記憶體不會被修改和釋放。

由於代碼區是只讀的，所以會被多個進程共用。在多個進程同時執行同一個程式時，操作系統只需要將代碼段載入到記憶體中一次，然後讓多個進程共用這個記憶體區域即可。

數據段

數據段用於存儲靜態全局變數、靜態局部變數和靜態常量等靜態數據。在程式運行期間，數據段的大小固定不變，但其內容可以被修改。按照變數是否被初始化。數據段可分為已初始化數據段和未初始化數據段。

棧

C++中函數調用以及函數內的局部變數的使用，都是通過棧這個記憶體分區實現的。棧分區由操作系統自動分配和釋放，是一種"後進先出"的一種記憶體分區。每個棧的大小是固定的，一般只有幾MB，所以如果棧變數太大，或者函數調用嵌套太深，容易發生棧溢出（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調用的。

#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

每當程式調用一個函數時，該函數的參數、局部變數和返回地址等信息會被壓入棧中。當函數執行完畢，再將這些信息從棧中彈出。根據之前壓入的外層調用者壓入棧的返回地址，返回到外層調用者未執行的代碼繼續執行。

本地變數是直接存儲在棧上的，當函數執行完成後，這些變數占用的記憶體就會被釋放掉了。前面例子中的本地變數是簡單類型，在C++中稱為POD類型。對於帶有構造和析構函數的非POD類型變數，棧上的記憶體分配同樣有效。編譯器會在合適的時機，插入對構造函數和析構函數的調用。

這裡有個問題，當函數執行發生異常時，析構函數還會被調用嗎？
答案是會的，C++對於發生異常時對析構函數的調用稱為"棧展開"。通過下麵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;
    }
}

執行代碼的結果是:

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

可以發現，發生異常時，bar函數中的本地變數o還是能被正常析構。

棧展開的過程實際上是異常發生時，匹配catch子句的過程。

程式拋出異常，停止當前執行的調用鏈，開始尋找與異常匹配的catch子句。
如果異常發生在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，程式會調用標準庫函數terminate終止函數的執行。

在這期間，棧上所有的對象都會被自動析構。

堆

堆是C++中用來存儲動態分配記憶體的記憶體分區，堆記憶體的分配和釋放需要手動管理，可以通過new/delete或malloc/free等函數進行分配和釋放。堆記憶體的大小通常是不固定的，當我們需要動態分配記憶體時，就可以使用堆記憶體。

堆記憶體由程式員手動分配和釋放，因此使用堆記憶體需要註意記憶體泄漏和記憶體溢出等問題。當程式員忘記釋放已分配的記憶體時，會導致記憶體泄漏問題。而當申請的堆記憶體超過了操作系統所分配給進程的記憶體限制時，會導致記憶體溢出問題。

C++程式絕大多數的記憶體泄露，都是由於忘記調用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函數創建的堆變數obj, 在每個獲取該變數的上層調用中，都需要關心對該變數的處理。這無疑極大得增加了開發者的心智負擔。

RAII

想在堆上創建對象，又不想處理這麼複雜的記憶體釋放操作。C++沒有像java、golang其他語言創建一套垃圾回收機制，而是採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後會自動調用析構函數的特點，通過創建棧對象來管理資源。在棧對象構造函數中獲取資源，在棧對象析構函數中負責釋放資源，以此保證資源的獲取和釋放。

下麵給出一個通過RAII來自動釋放堆記憶體的例子

#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類封裝了一個動態分配的int類型的指針，它的構造函數用於獲取資源(ptr = p)，析構函數用於釋放資源(delete ptr)。當AutoIntPtr超出作用域時，自動調用析構函數來釋放所包含的資源。

基於RAII，C++11引入了std::unique_ptr和std::shared_ptr等智能指針用於記憶體管理類，使得記憶體管理變得更加方便和安全。這些記憶體管理類可以自動進行記憶體釋放，避免了手動釋放記憶體的繁瑣工作。值得一提的是，上面的AutoIntPtr就是一個簡化版的智能指針了。

在實際開發中，RAII的應用很廣。不僅僅用於自動釋放記憶體。還可以用來關閉文件、釋放資料庫連接、釋放同步鎖等。

總結

本文介紹了C++中的記憶體管理機制，包括記憶體分區、棧、堆和RAII技術等內容。通過學習本文，我們可以更好地掌握C++的記憶體管理技巧，避免記憶體泄漏和記憶體溢出等問題。