堆、栈、RAII:C++里该如何管理资源?

基本概念

堆：英文是 heap,在内存管理的语境下,指的是动态分配内存的区域。这个堆跟数据结构里的堆不是一回事。这里的内存，被分配之后需要手工释放，否则就会造成内存泄漏。

C++ 标准里一个相关概念是自由存储区，英文是 free store，特指使用 new 和 delete 来分配和释放内存的区域。一般而言，这是堆的一个子集：

  • new 和 delete 操作的区域是 free store
  • malloc 和 free 操作的区域是 heap

但 new 和 delete 通常底层使用 malloc 和 free 来实现,所以 free store 也是 heap。

栈：英文是 stack，在内存管理的语境下，指的是函数调用过程中产生的本地变量和调用数据的区域。这个栈和数据结构里的栈高度相似，都满足“后进先出”(last-in-first-out 或LIFO)。

RAII：完整的英文是 Resource Acquisition Is Initialization,是 C++ 所特有的资源管理方式。有少量其他语言,如 D、Ada 和 Rust 也采纳了 RAII,但主流的编程语言中, C++是唯一一个依赖 RAII 来做资源管理的。

RAII 依托栈和析构函数，来对所有的资源——包括堆内存在内——进行管理。对 RAII 的使用，使得 C++ 不需要类似于 Java 那样的垃圾收集方法,也能有效地对内存进行管理。RAII 的存在,也是垃圾收集虽然理论上可以在 C++ 使用,但从来没有真正流行过的主要原因。

堆

从现代编程的角度来看,使用堆,或者说使用动态内存分配,是一件再自然不过的事情了。下面这样的代码,都会导致在堆上分配内存(并构造对象)。

1
2
// C++
auto ptr = new std::vector<int>();
1
2
// java
ArrayList<int> list = new ArrayList<int>();
1
2
# python
list = list()

动态内存分配实际上是较晚出现的。由于动态内存带来的不确定性——内存分配耗时需要多久?失败了怎么办?等等——至今仍有很多场合会禁用动态内存,尤其在实时性要求比较高的场合,如飞行控制器和电信设备。

在堆上分配内存，有些语言可能使用new 这样的关键字，有些语言则是在对象的构造时隐式分配，不需要特殊关键字。不管哪种情况，程序通常需要牵涉到三个可能的内存管理器的操作：

  1. 让内存管理器释放一个之前分配的内存块
  2. 让内存管理器分配一个某个大小的内存块
  3. 让内存管理器进行垃圾收集操作，寻找不再使用的内存块并予以释放

C++ 通常会做上面的操作 1 和 2。Java 会做上面的操作 1 和 3。而 Python 会做上面的操作 1、2、3。这是语言的特性和实现方式决定的。（上面的三个操作都不简单，并且彼此之间是相关的）

分配过程：

01

01

在图 1e 的状态下，内存管理器是满足不了长度大于 4 的内存分配要求的；而在图 1f 的状态，则长度小于等于 7 的单个内存要求都可以得到满足。

当然，这只是一个简单的示意，只是为了让你能够对这个过程有一个大概的感性认识。在不考虑垃圾收集的情况下，内存需要手工释放；在此过程中，内存可能有碎片化的情况。比如，在图 1d 的情况下，虽然总共剩余内存为 6，但却满足不了长度大于 4 的内存分配要求。

幸运的是，大部分软件开发人员都不需要担心这个问题。内存分配和释放的管理，是内存管理器的任务，一般情况下我们不需要介入。我们只需要正确地使用 new 和 delete。每个 new 出来的对象都应该用 delete 来释放，就是这么简单。

事实说明，漏掉 delete 是一种常见的情况，这叫“内存泄漏”——相信你一定听到过这个说法。为什么呢？

1
2
3
4
5
6
void foo()
{
  bar* ptr = new bar();
  …
  delete ptr;
}

这个很简单，但是却存在两个问题：

  1. 中间省略的代码部分也许会抛出异常，导致最后的 delete ptr 得不到执行。
  2. 更重要的，这个代码不符合 C++ 的惯用法。在 C++ 里，这种情况下有 99% 的可能性不应该使用堆内存分配，而应使用栈内存分配。

而更常见、也更合理的情况，是分配和释放不在一个函数里。比如下面这段示例代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
bar* make_bar(…)
{
  …
  try {
    bar* ptr = new bar();
    …
  }
  catch (...) {
    delete ptr;
    throw;
  }
  return ptr;
}
void foo()
{
  …
  bar* ptr = make_bar(…)
  …
  delete ptr;
}

这样的话，会漏 delete 的可能性大多了

栈

我们先来看一段示例代码，来说明 C++ 里函数调用、本地变量是如何使用栈的。当然，这一过程取决于计算机的实际架构，具体细节可能有所不同，但原理上都是相通的，都会使用一个后进先出的结构。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
void foo(int n)
{
  …
}
void bar(int n)
{
  int a = n + 1;
  foo(a);
}
int main()
{
  …
  bar(42);
  …
}

这段代码执行过程中的栈变化，我画了下面这张图来表示：

0

在我们的示例中，栈是向上增长的。在包括 x86 在内的大部分计算机体系架构中，栈的增长方向是低地址，因而上方意味着低地址。任何一个函数，根据架构的约定，只能使用进入函数时栈指针向上部分的栈空间。当函数调用另外一个函数时，会把参数也压入栈里（我们此处忽略使用寄存器传递参数的情况），然后把下一行汇编指令的地址压入栈，并跳转到新的函数。新的函数进入后，首先做一些必须的保存工作，然后会调整栈指针，分配出本地变量所需的空间，随后执行函数中的代码，并在执行完毕之后，根据调用者压入栈的地址，返回到调用者未执行的代码中继续执行。

本地变量所需的内存就在栈上，跟函数执行所需的其他数据在一起。当函数执行完成之后，这些内存也就自然而然释放掉了。我们可以看到：

  • 栈上的分配极为简单，移动一下栈指针而已。
  • 栈上的释放也极为简单，函数执行结束时移动一下栈指针即可。
  • 由于后进先出的执行过程，不可能出现内存碎片。

图 2 中每种颜色都表示某个函数占用的栈空间。这部分空间有个特定的术语，叫做栈帧（stack frame）。GCC 和 Clang 的命令行参数中提到 frame 的，如 -fomit-frame-pointer，一般就是指栈帧。

前面例子的本地变量是简单类型，C++ 里称之为 POD 类型（Plain Old Data）。对于有构造和析构函数的非 POD 类型，栈上的内存分配也同样有效，只不过 C++ 编译器会在生成代码的合适位置，插入对构造和析构函数的调用。

这里尤其重要的是：编译器会自动调用析构函数，包括在函数执行发生异常的情况。在发生异常时对析构函数的调用，还有一个专门的术语，叫栈展开（stack unwinding）。事实上，如果你用 MSVC 编译含异常的 C++ 代码，但没有使用上一讲说过的/EHsc参数，编译器就会报告：

warning C4530: C++ exception handler used, but unwind semantics are not enabled. Specify /EHsc

演示栈展开：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
#include <stdio.h>
class Obj {
public:
  Obj() { puts("Obj()"); }
  ~Obj() { puts("~Obj()"); }
};
void foo(int n)
{
  Obj obj;
  if (n == 42)
    throw "life, the universe and everything";
}
int main()
{
  try {
    foo(41);
    foo(42);
  }
  catch (const char* s) {
    puts(s);
  }
}

执行代码的结果是：

1
2
3
4
5
Obj()
~Obj()
Obj()
~Obj()
life, the universe and everything

也就是说，不管是否发生了异常，obj 的析构函数都会得到执行。

在 C++ 里，所有的变量缺省都是值语义——如果不使用 * 和 & 的话，变量不会像 Java 或 Python 一样引用一个堆上的对象。对于像智能指针这样的类型，你写 ptr->call() 和 ptr.get()，语法上都是对的，并且 -> 和 . 有着不同的语法作用。而在大部分其他语言里，访问成员只用 .，但在作用上实际等价于 C++ 的 ->。这种值语义和引用语义的区别，是 C++ 的特点，也是它的复杂性的一个来源。

RAII

C++ 支持将对象存储在栈上面。但是，在很多情况下，对象不能，或不应该，存储在栈上。比如：

  • 对象很大；
  • 对象的大小在编译时不能确定；
  • 对象是函数的返回值，但由于特殊的原因，不应使用对象的值返回。

常见情况之一是，在工厂方法或其他面向对象编程的情况下，返回值类型是基类。下面的例子，是对工厂方法的简单演示：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
enum class shape_type {
  circle,
  triangle,
  rectangle,
  …
};
class shape { … };
class circle : public shape { … };
class triangle : public shape { … };
class rectangle : public shape { … };
shape* create_shape(shape_type type)
{
  …
  switch (type) {
  case shape_type::circle:
    return new circle(…);
  case shape_type::triangle:
    return new triangle(…);
  case shape_type::rectangle:
    return new rectangle(…);
  …
  }
}

这个 create_shape 方法会返回一个 shape 对象，对象的实际类型是某个 shape 的子类，圆啊，三角形啊，矩形啊，等等。这种情况下，函数的返回值只能是指针或其变体形式。如果返回类型是 shape，实际却返回一个 circle，编译器不会报错，但结果多半是错的。这种现象叫对象切片（object slicing），是 C++ 特有的一种编码错误。这种错误不是语法错误，而是一个对象复制相关的语义错误，也算是 C++ 的一个陷阱了，大家需要小心这个问题。

那么，我们怎样才能确保，在使用 create_shape 的返回值时不会发生内存泄漏呢？

答案就在析构函数和它的栈展开行为上。我们只需要把这个返回值放到一个本地变量里，并确保其析构函数会删除该对象即可。一个简单的实现如下所示：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
class shape_wrapper {
public:
  explicit shape_wrapper(
    shape* ptr = nullptr)
    : ptr_(ptr) {}
  ~shape_wrapper()
  {
    delete ptr_;
  }
  shape* get() const { return ptr_; }
private:
  shape* ptr_;
};
void foo()
{
  …
  shape_wrapper ptr_wrapper(
    create_shape(…));
  …
}

如果你好奇 delete 空指针会发生什么的话，那答案是，这是一个合法的空操作。在 new 一个对象和 delete 一个指针时编译器需要干不少活的，它们大致可以如下翻译：

new:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
// new circle(…)
{
  void* temp = operator new(sizeof(circle));
  try {
    circle* ptr =
      static_cast<circle*>(temp);
    ptr->circle(…);
    return ptr;
  }
  catch (...) {
    operator delete(ptr);
    throw;
  }
}

delete:

1
2
3
4
if (ptr != nullptr) {
  ptr->~shape();
  operator delete(ptr);
}

也就是说，new 的时候先分配内存（失败时整个操作失败并向外抛出异常，通常是 bad_alloc），然后在这个结果指针上构造对象（注意上面示意中的调用构造函数并不是合法的 C++ 代码）；构造成功则 new 操作整体完成，否则释放刚分配的内存并继续向外抛构造函数产生的异常。delete 时则判断指针是否为空，在指针不为空时调用析构函数并释放之前分配的内存。

回到 shape_wrapper 和它的析构行为。在析构函数里做必要的清理工作，这就是 RAII 的基本用法。这种清理并不限于释放内存，也可以是：

  • 关闭文件（fstream 的析构就会这么做）
  • 释放同步锁
  • 释放其他重要的系统资源

例如，我们应该使用：

1
2
3
4
5
6
std::mutex mtx;
void some_func()
{
  std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
  //  做需要同步的工作
}

而不是：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
std::mutex mtx;
void some_func()
{
  mtx.lock();
  //  做需要同步的工作……
  //  如果发生异常或提前返回，
  //  下面这句不会自动执行。
  mtx.unlock();
}

上面的 shape_wrapper 差不多就是个最简单的智能指针了。