丨堆棧raiic里該如何管理資源

C++標(biāo)準(zhǔn)里一個(gè)相關(guān)概念是自由區(qū)，英文是 store，特指使用new和delete來new和delete操作的區(qū)域 操作的區(qū)域是但ew和delete通常底層使用malloc和 來實(shí)現(xiàn)，所以 sore也是heap鑒于對(duì)其區(qū)分的實(shí)際意義并不大，在本專欄里，除非另有特殊說明，我會(huì)只使用堆這一術(shù)語。棧，英文是stack，在內(nèi)存管理的語境下，指的是函數(shù)調(diào)用過程中產(chǎn)生的本地變量和調(diào)用數(shù)據(jù)的區(qū)域。這個(gè)棧和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里的棧高度相似，都滿足“后進(jìn)先出”（last-in-first-out或RAII，完整的英文是ResourceAcquisitionIsInitialization，是C++所特有的資源管理方式。有少量其他語言，如D、Ada和Rust也采納了RAII，但主流的編程語言中，C++是唯一一個(gè)依賴RAII來做資源管理的。RAII依托棧和析構(gòu)函數(shù)，來對(duì)所有的資源——包括堆內(nèi)存在內(nèi)——進(jìn)行管理。對(duì)RAII的使用，使得C++不需要類似于Java那樣的收集方法，也能有效地對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理。RAII的存在，也是收集雖然理論上可以在C++使用，但從來沒有真正流行過的主要原因。接下來，我將會(huì)對(duì)堆、棧和RAII堆//autoptr=new#lst=代//ArrayList<int>list=new從歷史的角度，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配實(shí)際上是較晚出現(xiàn)的。由于動(dòng)態(tài)內(nèi)存帶來的不確定性——內(nèi)存分配耗時(shí)需要多久？失敗了怎么辦？等等——至今仍有很多場合會(huì)禁用動(dòng)態(tài)內(nèi)存，尤其在實(shí)時(shí)性要求比較高的場合，如飛行控制器和電信設(shè)備。不過，由于大家多半對(duì)這種用法比較熟悉，特別是從C和C++以外的其他語言開始學(xué)習(xí)編程的程序員，所以提到內(nèi)存管在堆上分配內(nèi)存，有些語言可能使用new這樣的關(guān)鍵字，有些語言則是在對(duì)象的構(gòu)造時(shí)隱C++通常會(huì)做上面的操作1和2。Java會(huì)做上面的操作1和3。而Python會(huì)做上面的操作1、2、3。這是語言的特性方式?jīng)Q定的。第一，分配內(nèi)存要考慮程序當(dāng)前已經(jīng)有多少未分配的內(nèi)存。內(nèi)存不足時(shí)要從操作系統(tǒng)申請(qǐng)新的內(nèi)存。內(nèi)存充足時(shí)，要從可用的內(nèi)存里取出一塊合適大小的內(nèi)存，做簿記工作將其標(biāo)記為已用，然后將其返回給要求內(nèi)存的代碼。第二，釋放內(nèi)存不只是簡單地把內(nèi)存標(biāo)記為未使用。對(duì)于連續(xù)未使用的內(nèi)存塊，通常內(nèi)存管理器需要將其合并成一塊，以便可以滿足后續(xù)的較大內(nèi)存分配要求。畢竟，目前的編程模式都要求申請(qǐng)的內(nèi)存塊是連續(xù)的。第三，收集操作有很多不同的策略方式，以實(shí)現(xiàn)性能、實(shí)時(shí)性、額外開銷等各方面的平衡。由于C++里通常都不使用收集，所以就不是我們專欄的重點(diǎn)，不再展開講解。注意在圖1e的狀態(tài) 當(dāng)然，這只是一個(gè)簡單的示意，只是為了讓你能夠?qū)@個(gè)過程有一個(gè)大概的感性認(rèn)識(shí)。在不考慮收集的情況下，內(nèi)存需要手工釋放；在此過程中，內(nèi)存可能有碎片化的情況。比如，在圖1d的情況下，雖然總共剩余內(nèi)存為6，但卻滿足不了長度大于4的內(nèi)存分配要求。理器的任務(wù)，一般情況下我們不需要介入。我們只需要正確地使用new和delete。每個(gè)new出來的對(duì)象都應(yīng)該用delete來釋放，就是這么簡單。delete是一種常見的情況，這叫“內(nèi)存泄漏”——相信你一定聽到過這void{bar*ptr=new…delete6deleteptr更重要的，這個(gè)代碼不符合C++的慣用法。在C++里，這種情況下有99%的可能性不應(yīng)該使用堆內(nèi)存分配，而應(yīng)使用棧內(nèi)存分配。這樣寫代碼的，估計(jì)可能是從Java轉(zhuǎn)過代代1bar*23…4try5ptr=new6…7}89{}13void{…bar*ptr=…delete}delete的可能性是不是大多了？有關(guān)這個(gè)問題的解決方法，我們?cè)谙乱缓茫盐覀儠簳r(shí)就討論到這兒。下面，我們看看更符合C棧我們先來看一段示例代碼，來說明C++里函數(shù)調(diào)用、本地變量是如何使用棧的。當(dāng)然，這一過程取決于計(jì)算機(jī)的實(shí)際架構(gòu)，具體細(xì)節(jié)可能有所不同，但原理上都是相通的，都會(huì)使用一個(gè)后進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)。代代123456789voidfoo(int{…}voidbar(int{inta=n+1;}int{……}在我們的示例中，棧是向上增長的。在包括86在內(nèi)的大部分計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)中，棧的增長方向是低地址，因而上方意味著低地址。任何一個(gè)函數(shù)，根據(jù)架構(gòu)的約定，只能使用進(jìn)入函數(shù)時(shí)棧指針向上部分的?？臻g。當(dāng)函數(shù)調(diào)用另外一個(gè)函數(shù)時(shí)，會(huì)把參數(shù)也壓入棧里（此處忽略使用寄存器傳遞參數(shù)的情況），然后把下一行匯編指令的地址壓入棧，并跳轉(zhuǎn)到新的函數(shù)。新的函數(shù)進(jìn)入后，首先做一些必須的保存工作，然后會(huì)調(diào)整棧指針，分配出本地變量所需的空間，隨后執(zhí)行函數(shù)中的代碼，并在執(zhí)行完畢之后，根據(jù)調(diào)用者壓入棧的地址，返回到調(diào)用者未執(zhí)行的代碼中繼續(xù)執(zhí)行。2語，叫做棧幀（stackframe）。GCC和Clang令行參數(shù)中提到frame的，如-前面例子的本地變量是簡單類型，C++里稱之為POD類型（ inOldData）。對(duì)于有構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)的非POD類型，棧上的內(nèi)存分配也同樣有效，只不過C++編譯器會(huì)在異常時(shí)對(duì)析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用，還有一個(gè)專門的術(shù)語，叫棧展開（stackunwinding）。事實(shí)上，如果你用MSVC編譯含異常的C++代碼，但沒有使用上一講的/EHsc參數(shù)，編warningC4530:C++exceptionhandlerused,butunwindsemanticsarenotenabled.Specify/EHsc代代123456789#includeclass{Obj(){puts("Obj()");~Obj(){puts("~Obj()");voidfoo(int{Objif(n==throw"life,theuniverseand}int{try{}catch(constchar*{}}代代life,theuniverseand也就是說，不管是否發(fā)生了異常，objC*和&JavaPython一樣一個(gè)堆上的對(duì)象。對(duì)于像智能指針這樣的類型，你寫ptr->call()和ptr.get()，語法上都是對(duì)的，并且和有著不同的語法作用。而在大部分其他語言里，成員只用.，但在作用上實(shí)際等價(jià)于C++的->。這種值語義和語義的區(qū)CC++，就需要理解它的值語義C++的重要特性RAIIC++支持將對(duì)象在棧上面。但是，在很多情況下，對(duì)象不能，或不應(yīng)該，在棧enumclassshape_type…66789classshape{…classcircle:publicshape{…};classtriangle:publicshape{…};classrectangle:publicshape{…};shape*create_shape(shape_type{…switch(type)caseshape_type::circle:returnnewcircle(…);caseshape_type::triangle:returnnewtriangle(…);caseshape_type::rectangle:returnnewrectangle(…);…}}這個(gè)reate_hape方返回一個(gè)sape對(duì)象，對(duì)象的實(shí)際類型是某個(gè)shape的子類，圓啊，三角形啊，矩形啊，等等。這種情況下，函數(shù)的返回值只能是指針或其變體形式。如果返回類型是shape，實(shí)際卻返回一個(gè)ircle，編譯器不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但結(jié)果多半是錯(cuò)的。這種現(xiàn)象叫對(duì)象切片（obectsliing），是C++特有的一種編碼錯(cuò)誤。這種錯(cuò)誤不是語法錯(cuò)誤，而是一個(gè)對(duì)象相關(guān)的語義錯(cuò)誤，也算是C++的一個(gè)陷阱了，大家需要這個(gè)問題。那么，我們?cè)鯓硬拍艽_保，在使用create_shape答案就在析構(gòu)函數(shù)和它的棧展開行為上。我們只需要把這個(gè)返回值放到一個(gè)本地變量里，并classshape_wrapperexplicitshape*ptr=:ptr_(ptr){delete shape*get()const{returnptr_;}shape*void{…ptr_wrapper(…如果你好奇delete空指針會(huì)發(fā)生什么的話，那答案是，這是一個(gè)合法的空操作。在一個(gè)對(duì)象和delete////new{void*temp=operatortrycircle*ptrreturn catch(...)operator 14if(ptr!=nullptr)operator4也就是說，new的時(shí)候先分配內(nèi)存（bad_alloc），然后在這個(gè)結(jié)果指針上構(gòu)造對(duì)象（合法的C++代碼）；構(gòu)造成功則newshape_wrapperRAII代1std::mutex23void4 //7代1std::mutex23void4 //做需要同步的工作////10本講我們討論了C++里內(nèi)存管理的一些基本概念，強(qiáng)調(diào)棧是C++里最“自然”的內(nèi)存使用方式，并且，使用基于棧和析構(gòu)函數(shù)的RAII，可以有效地對(duì)包括堆內(nèi)存在內(nèi)的系統(tǒng)資源Wikipedia,“MemoryWikipedia,“Stack-basedmemoryWikipedia,