「C++ 」借来的资源,何如还的潇洒?

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前言

本文的内容将专门对付内存管理,培养起有借有还的好习惯,方可消除资源管理的问题。

正文

所谓的资源就是,一旦用了它,将来必须还给系统。如果不是这样,糟糕的事情就会发生。

C++ 程序内常见的资源:

  • 动态分配内存
  • 文件描述符
  • 互斥锁
  • 图形页面中的字型和笔刷
  • 数据库连接
  • 网络 sockets

无论哪一种资源,重要的是,当你不再使用它时,必须将它还给系统,有借有还是个好习惯。

细节 01 : 以对象管理资源

把资源放在析构函数,交给析构函数释放资源

假设某个 class 含有个工厂函数,该函数获取了对象的指针:

A* createA();    // 返回指针,指向的是动态分配对象。
                 // 调用者有责任删除它。

如上述注释所言,createA 的调用端使用了函数返回的对象后,有责任删除它。现在考虑有个f函数履行了这个责任:

void f()
{
    A *pa = createA();  // 调用工厂函数
    ...                 // 其他代码
    delete pa;          // 释放资源
}

这看起来稳妥,但存在若干情况f函数可能无法执行到delete pa语句,也就会造成资源泄漏,例如如下情况:

  • 或许因为「…」区域内的一个过早的 return 语句;
  • 或许因为「…」区域内的一个循环语句过早的continue 或 goto 语句退出;
  • 或许因为「…」区域内的语句抛出异常,无法执行到 delete。

当然可以通过谨慎地编写程序可以防止这一类错误,但你必须想想,代码可能会在时间渐渐过去后被修改,如果是一个新手没有注意这一类情况,那必然又会再次有内存泄漏的可能性。

为确保 A 返回的资源都是被回收,我们需要将资源放进对象内,当对象离开作用域时,该对象的析构函数会自动释放资源。

「智能指针」是个好帮手,交给它去管理指针对象。

对于是由动态分配(new)于堆内存的对象,指针对象离开了作用域并不会自动调用析构函数(需手动delete),为了让指针对象能像普通对象一样,离开作用域自动调用析构函数回收资源,我们需要借助「智能指针」的特性。

常用的「智能指针」有如下三个:

  • std::auto_ptr( C++ 98 提供、C++ 11 建议摒弃不用 )
  • std::unique_ptr( C++ 11 提供 )
  • std::shared_ptr( C++ 11 提供 )
std::auto_ptr

下面示范如何使用 std::auto_ptr 以避免 f 函数潜在的资源泄漏可能性:

void f()
{
    std::auto_ptr<A> pa (createA()); // 调用工厂函数
    ...  // 一如既往的使用pa
}        // 离开作用域后,经由 auto_ptr 的析构函数自动删除pa;

这个简单的例子示范「以对象管理资源」的两个关键想法:

  • 获得资源后立刻放进管理对象内。以上代码中 createA 返回的资源被当做其管理者 auto_ptr 的初值,也就立刻被放进了管理对象中。
  • 管理对象运用析构函数确保资源释放。不论控制流如何离开区块,一旦对象被销毁(例如当对象离开作用域)其析构函数自然会被自动调用,于是资源被释放。

为什么在 C++11 建议弃用 auto_ptr 吗?当然是 auto_ptr 存在缺陷,所以后续不被建议使用。

auto_ptr 有一个不寻常的特质:若通过「复制构造函数或赋值操作符函数」 copy 它们,它们会变成 null ,而复制所得的指针将获取资源的唯一拥有权!
见如下例子说明:

std::auto_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物

std::auto_ptr<A> pa2(pa1); // 现在 pa2 指向对象,pa1将被设置为 null

pa1 = pa2; // 现在 pa1 指向对象,pa2 将被设置为 null

这一诡异的复制行为,如果再次使用指向为 null 的指针,那必然会导致程序奔溃。
意味着 auto_ptr 并非管理动态分配资源的神兵利器。

std::unique_ptr

unique_ptr 也采用所有权模型,但是在使用时,是直接禁止通过复制构造函数或赋值操作符函数 copy 指针对象,如下例子在编译时,会出错:

std::unique_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物

std::unique_ptr<A> pa2(pa1); // 编译出错!

pa1 = pa2; // 编译出错!
std::shared_ptr

shared_ptr 在使用复制构造函数或赋值操作符函数后,引用计会数累加并且两个指针对象指向的都是同一个块内存,这就与 unique_ptr、auto_ptr 不同之处。

void f()
{
    std::shared_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物

    std::shared_ptr<A> pa2(pa1); // 引用计数+1,pa2和pa1指向同一个内存

    pa1 = pa2; // 引用计数+1,pa2和pa1指向同一个内存
}

当一个对象离开作用域,shared_ptr 会把引用计数值 -1 ,直到引用计数值为 0 时,才会进行删除对象。

由于 shared_ptr 释放空间时会事先要判断引用计数值的大小,因此不会出现多次删除一个对象的错误。

小结 – 请记住

  • 为防止资源泄漏,请使用 RAII(Resource Acquisition Is Initaliaztion – 资源取得时机便是初始化时机) 对象,它们在构造函数中获取资源,并在析构函数中是释放资源
  • 两个建议使用的 RAII classes 分别是 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。前者不允许 copy 动作,后者允许 copy 动作。但是不建议用 std::auto_ptr,若选 auto_ptr,复制动作会使它(被复制物)指向 null 。

细节 02:在资源管理类中小心 copying 行为

假设,我们使用 C 语音的 API 函数处理类型为 Mutex 的互斥对象,共有 lock 和 unlock 两函数可用:

void locak(Mutex *pm);  // 锁定 pm 所指的互斥器
void unlock(Mutex* pm); // 将互斥器解除锁定

为确保绝不会忘记一个被锁住的 Mutex 解锁,我们可能会希望创立一个 class 来管理锁资源。这样的 class 要遵守 RAII 守则,也就是「资源在构造期间获得,在析构释放期间释放」:

class Lock
{
public:
    explicit Lock(Mutex *pm) // 构造函数
        : pMutex(pm)
    {
        lock(pMutex);
    }

    ~Lock()  // 析构函数
    {
        unlock(pMutex);
    }
private:
    Mutex* pMutex;
};

这样定义的 Lock,用法符合 RAII 方式:

Mutex m;      //定义你需要的互斥锁
... 
{                 // 建立一个局部区块作用域
    Lock m1(&m);  // 锁定互斥器
    ...
}                 // 在离开区块作用域,自动解除互斥器锁定

这很好,但如果 Lock 对象被复制,会发生什么事情?

Lock m1(&m);  // 锁定m
Lock m2(&m1); // 将 m1 复制到 m2身上,这会发生什么?

这是我们需要思考和面对的:「当一个 RAII 对象被复制,会发生什么事情?」大多数时候你会选择以下两种可能:

  • 禁止复制。如果 RAII 不允许被复制,那我们需要将 class 的复制构造函数和赋值操作符函数声明在 private。
  • 使用引用计数法。有时候我们希望保有资源,直到它直的最后一个对象被消耗。这种情况下复制 RAII 对象时,应该将资源的「被引用数」递增。std::shared_ptr 便是如此。

如果前述的 Lock 打算使用使用引用计数法,它可以使用 std::shared_ptr 来管理 pMutex 指针,然后很不幸 std::shared_ptr 的默认行为是「当引用次数为 0 时删除其所指物」那不是我们想要的行为,因为要对 Mutex 释放动作是解锁而非删除。

幸运的是 std::shared_ptr 允许指定自定义的删除方式,那是一个函数或函数对象。如下:

class Lock
{
public:
    explicit Lock(Mutex *pm)  
        : pMutex(pm, unlock)  // 以某个 Mutex 初始化 shared_ptr,
                              // 并以 unlock 函数为删除器。
    {
        lock(pMutex.get());  // get 获取指针地址
    }

private:
    std::shared_ptr<Mutex> pMutex; // 使用 shared_ptr
};

请注意,本例的 Lock class 不再声明析构函数。因为编译器会自动创立默认的析构函数,来自动调用其 non-static 成员变量(本例为 pMutex )的析构函数。

而 pMutex 的析构函数会在互斥器的引用次数为 0 时,自动调用 std::shared_ptr 的删除器(本例为 unlock )。

小结 – 请记住

  • 复制 RAII 对象必须一并复制它的所管理的资源(深拷贝),所以资源的 copying 行为决定 RAII 对象的 copying 行为。
  • 普通而常见的 RAII class copying 行为是:禁止 copying、施行引用计数法。

细节 03 :在资源类中提供对原始资源的访问

智能指针「显式」转换,也就是通过 get 成员函数的方式转换为原始指针对象。

上面提到的「智能指针」分别是:std::auto_ptr、std::unique_ptr、std::shared_ptr。它们都有访问原始资源的办法,都提供了一个 get 成员函数,用来执行显式转换,也就是它会返回智能指针内部的原始指针(的复件)。

举个例子,使用智能指针如 std::shared_ptr 保存 createA() 返回的指针对象 :

std::shared_ptr<A> pA(createA());

假设你希望以某个函数处理 A 对象,像这样:

int getInfo(const A* pA);

你想这么调用它:

std::shared_ptr<A> pA(createA());
getInfo(pA);       // 错误!!

会编译错误,因为 getInfo 需要的是 A 指针对象,而不是类型为 std::shared_ptr<A> 的对象。

这时候就需要用 std::shared_ptr 智能指针提供的 get 成员函数访问原始的资源:

std::shared_ptr<A> pA(createA());
getInfo(pA.get());   // 很好,将 pA 内的原始指针传递给 getInfo

智能指针「隐式」转换的方式,是通过指针取值操作符。

智能指针都重载了指针取值操作符(operator->和operator*),它们允许隐式转换至底部原始指针:

class A
{
public:
    bool isExist() const;
    ...
};

A* createA();  // 工厂函数,创建指针对象

std::shared_ptr<A> pA(createA()); // 令 shared_ptr 管理对象资源

bool exist = pA->isExist();    // 经由 operator-> 访问资源
bool exist2 = (*pA).isExist(); // 经由 operator* 访问资源

多数设计良好的 classes 一样,它隐藏了程序员不需要看到的部分,但是有程序员需要的所有东西。

所以对于自身设计 RAII classes 我们也要提供一个「取得其所管理的资源」的办法。

小结 – 请记住

  • APIs 往往要求访问原始资源,所以每一个 RAII class 应该提供一个「取得其所管理的资源」的办法。
  • 对原始资源的访问可能经由显式转换或隐式转换。一般而言显式转换比较安全,但隐式转换比较方便。

细节 04:成对使用 new 和 delete

以下动作有什么错?

std::string* strArray = new std::string[100];
...
delete strArray;

每件事情看起来都井然有序。使用了 new,也搭配了对应的 delete。但还是有某样东西完全错误。strArray 所含的 100 个 string 对象中的 99 个不太可能被适当删除,因为它们的析构函数很可能没有被调用。

当使用 new ,有两件事发生:

  • 内存被分配出来(通过名为 operator new 的函数)
  • 针对此内存会有一个或多个构造函数被调用

当使用 delete,也会有两件事情:

  • 针对此内存会有一个或多个析构函数被调用
  • 然后内存才被释放(通过名为 operator delete 的函数)

delete 的最大问题在于:即将被删除的内存之内究竟有多少对象?这个答案决定了需要执行多少个析构函数。

对象数组所用的内存通常还包括「数组大小」的记录,以便 delete 知道需要调用多少次析构函数。单一对象的内存则没有这笔记录。你可以把两者不同的内存布局想象如下,其中 n 是数组大小:

当你对着一个指针使用 delete,唯一能够让 delete 知道内存中是否存在一个「数组大小记录」的办法就是:由你告诉它。如果你使用 delete 时加上中括号[],delete 便认定指针指向一个数组,否则它便认定指针指向一个单一对象:

std::string* strArray = new std::string[100];
std::string* strPtr = new std::strin;
... 
delete [] strArray;  // 删除一个对象
delete strPtr;       // 删除一个由对象组成的数组

游戏规则很简单:

  • 如果你在 new 表达式中使用[],必须在相应的 delete 表达式也使用[]。
  • 如果你在 new 表达式中不使用[],一定不要在相应的 delete 表达式使用[]。

小结 – 请记住

  • 如果你在 new 表达式中使用[],必须在相应的 delete 表达式也使用[]。如果你在 new 表达式中不使用[],一定不要在相应的 delete 表达式使用[]。

细节 05:以独立语句将 newed (已被 new 的)对象置入智能指针

假设我们有个以下示范的函数:

int getNum();
void fun(std::shared_ptr<A> pA, int num);

现在考虑调用 fun:

fun(new A(), getNum());

它不能通过编译,因为 std::shared_ptr 构造函数需要一个原始指针,而且该构造函数是个 explicit 构造函数,无法进行隐式转换。如果写成这样就可以编译通过:

fun(std::shared_ptr<A>(new A), getNum());

令人想不到吧,上述调用却可能泄露资源。接下来我们来一步一步的分析为什么存在内存泄漏的可能性。

在进入 fun 函数之前,肯定会先执行各个实参。上述第二个实参只是单纯的对 getNum 函数的调用,但第一个实参 std::shared_ptr<A>(new A) 由两部分组成:

  • 执行 new A 表达式
  • 调用 std::shared_ptr 构造函数

于是在调用 fun 函数之前,先必须做以下三件事:

  • 调用 getNum 函数
  • 执行 new A 表达式
  • 调用 std::shared_ptr 构造函数

那么他们的执行次序是一定如上述那样的吗?可以确定的是 new A 一定比 std::shared_ptr 构造函数先被执行。但对 getNum 调用可以排在第一或第二或第三执行。

如果编译器选择以第二顺位执行它:

  1. 执行 new A 表达式
  2. 调用 getNum 函数
  3. 调用 std::shared_ptr 构造函数
    万一在调用 getNum 函数发生了异常,会发生什么事情?在此情况下 new A 返回的指针将不会置入 std::shared_ptr 智能指针里,就存在内存泄漏的现象。

避免这类问题的办法很简单:使用分离语句。

分别写出:

  1. 创建 A
  2. 将它置入一个智能指针内
  3. 然后再把智能指针传递给 fun 函数。
std::shared_ptr<A> pA(new A); // 先构造智能指针对象
fun(pA, getNum()); // 这个调用动作绝不至于造成泄漏。

以上的方式,就能避免原本由于次序导致内存泄漏发生。

小结 – 请记住

  • 以独立语句将 newed (已 new 过) 对象存储于智能指针内。如果不这样做,一旦异常被抛出,有可能导致难以察觉的资源泄漏。

最后

本文部分内容参考了《Effective C++ (第3版本)》第三章节内容,前两章节的内容可看旧文
《学过 C++ 的你,不得不知的这 10 条细节!》


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