「C++ 」借來的資源，如何還的瀟灑？

前言

本文的內容將專門對付內存管理，培養起有借有還的好習慣，方可消除資源管理的問題。

正文

所謂的資源就是，一旦用了它，將來必須還給系統。如果不是這樣，糟糕的事情就會發生。

C++ 程序內常見的資源：

動態分配內存
文件描述符
互斥鎖
圖形頁面中的字型和筆刷
數據庫連接
網絡 sockets

無論哪一種資源，重要的是，當你不再使用它時，必須將它還給系統，有借有還是個好習慣。

細節 01 ：以對象管理資源

把資源放在析構函數，交給析構函數釋放資源

假設某個 class 含有個工廠函數，該函數獲取了對象的指針：

A* createA();    // 返回指針，指向的是動態分配對象。
                 // 調用者有責任刪除它。

如上述註釋所言，createA 的調用端使用了函數返回的對象後，有責任刪除它。現在考慮有個f函數履行了這個責任:

void f()
{
    A *pa = createA();  // 調用工廠函數
    ...                 // 其他代碼
    delete pa;          // 釋放資源
}

這看起來穩妥，但存在若干情況f函數可能無法執行到delete pa語句，也就會造成資源泄漏，例如如下情況：

或許因爲「…」區域內的一個過早的 return 語句；
或許因爲「…」區域內的一個循環語句過早的continue 或 goto 語句退出；
或許因爲「…」區域內的語句拋出異常，無法執行到 delete。

當然可以通過謹慎地編寫程序可以防止這一類錯誤，但你必須想想，代碼可能會在時間漸漸過去後被修改，如果是一個新手沒有注意這一類情況，那必然又會再次有內存泄漏的可能性。

爲確保 A 返回的資源都是被回收，我們需要將資源放進對象內，當對象離開作用域時，該對象的析構函數會自動釋放資源。

「智能指針」是個好幫手，交給它去管理指針對象。

對於是由動態分配（new）於堆內存的對象，指針對象離開了作用域並不會自動調用析構函數（需手動delete），爲了讓指針對象能像普通對象一樣，離開作用域自動調用析構函數回收資源，我們需要藉助「智能指針」的特性。

常用的「智能指針」有如下三個：

std::auto_ptr（ C++ 98 提供、C++ 11 建議摒棄不用）
std::unique_ptr（ C++ 11 提供）
std::shared_ptr（ C++ 11 提供）

std::auto_ptr

下面示範如何使用 std::auto_ptr 以避免 f 函數潛在的資源泄漏可能性：

void f()
{
    std::auto_ptr<A> pa (createA()); // 調用工廠函數
    ...  // 一如既往的使用pa
}        // 離開作用域後，經由 auto_ptr 的析構函數自動刪除pa;

這個簡單的例子示範「以對象管理資源」的兩個關鍵想法：

獲得資源後立刻放進管理對象內。以上代碼中 createA 返回的資源被當做其管理者 auto_ptr 的初值，也就立刻被放進了管理對象中。
管理對象運用析構函數確保資源釋放。不論控制流如何離開區塊，一旦對象被銷燬（例如當對象離開作用域）其析構函數自然會被自動調用，於是資源被釋放。

爲什麼在 C++11 建議棄用 auto_ptr 嗎？當然是 auto_ptr 存在缺陷，所以後續不被建議使用。

auto_ptr 有一個不尋常的特質：若通過「複製構造函數或賦值操作符函數」 copy 它們，它們會變成 null ，而複製所得的指針將獲取資源的唯一擁有權！
見如下例子說明：

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

std::auto_ptr<A> pa2(pa1); // 現在 pa2 指向對象，pa1將被設置爲 null

pa1 = pa2; // 現在 pa1 指向對象，pa2 將被設置爲 null

這一詭異的複製行爲，如果再次使用指向爲 null 的指針，那必然會導致程序奔潰。
意味着 auto_ptr 並非管理動態分配資源的神兵利器。

std::unique_ptr

unique_ptr 也採用所有權模型，但是在使用時，是直接禁止通過複製構造函數或賦值操作符函數 copy 指針對象，如下例子在編譯時，會出錯：

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

std::unique_ptr<A> pa2(pa1); // 編譯出錯！

pa1 = pa2; // 編譯出錯！

std::shared_ptr

shared_ptr 在使用複製構造函數或賦值操作符函數後，引用計會數累加並且兩個指針對象指向的都是同一個塊內存，這就與 unique_ptr、auto_ptr 不同之處。

void f()
{
    std::shared_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物
    
    std::shared_ptr<A> pa2(pa1); // 引用計數+1，pa2和pa1指向同一個內存
    
    pa1 = pa2; // 引用計數+1，pa2和pa1指向同一個內存
}

當一個對象離開作用域，shared_ptr 會把引用計數值 -1 ，直到引用計數值爲 0 時，纔會進行刪除對象。

由於 shared_ptr 釋放空間時會事先要判斷引用計數值的大小，因此不會出現多次刪除一個對象的錯誤。

小結 - 請記住

爲防止資源泄漏，請使用 RAII（Resource Acquisition Is Initaliaztion - 資源取得時機便是初始化時機）對象，它們在構造函數中獲取資源，並在析構函數中是釋放資源
兩個建議使用的 RAII classes 分別是 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。前者不允許 copy 動作，後者允許 copy 動作。但是不建議用 std::auto_ptr，若選 auto_ptr，複製動作會使它（被複制物）指向 null 。

細節 02：在資源管理類中小心 copying 行爲

假設，我們使用 C 語音的 API 函數處理類型爲 Mutex 的互斥對象，共有 lock 和 unlock 兩函數可用：

void locak(Mutex *pm);  // 鎖定 pm 所指的互斥器
void unlock(Mutex* pm); // 將互斥器解除鎖定

爲確保絕不會忘記一個被鎖住的 Mutex 解鎖，我們可能會希望創立一個 class 來管理鎖資源。這樣的 class 要遵守 RAII 守則，也就是「資源在構造期間獲得，在析構釋放期間釋放」：

class Lock
{
public:
    explicit Lock(Mutex *pm) // 構造函數
        : pMutex(pm)
    {
        lock(pMutex);
    }
    
    ~Lock()  // 析構函數
    {
        unlock(pMutex);
    }
private:
    Mutex* pMutex;
};

這樣定義的 Lock，用法符合 RAII 方式：

Mutex m;      //定義你需要的互斥鎖
... 
{                 // 建立一個局部區塊作用域
    Lock m1(&m);  // 鎖定互斥器
    ...
}                 // 在離開區塊作用域，自動解除互斥器鎖定

這很好，但如果 Lock 對象被複制，會發生什麼事情？

Lock m1(&m);  // 鎖定m
Lock m2(&m1); // 將 m1 複製到 m2身上，這會發生什麼？

這是我們需要思考和麪對的：「當一個 RAII 對象被複制，會發生什麼事情？」大多數時候你會選擇以下兩種可能：

禁止複製。如果 RAII 不允許被複制，那我們需要將 class 的複製構造函數和賦值操作符函數聲明在 private。
使用引用計數法。有時候我們希望保有資源，直到它直的最後一個對象被消耗。這種情況下複製 RAII 對象時，應該將資源的「被引用數」遞增。std::shared_ptr 便是如此。

如果前述的 Lock 打算使用使用引用計數法，它可以使用 std::shared_ptr 來管理 pMutex 指針，然後很不幸 std::shared_ptr 的默認行爲是「當引用次數爲 0 時刪除其所指物」那不是我們想要的行爲，因爲要對 Mutex 釋放動作是解鎖而非刪除。

幸運的是 std::shared_ptr 允許指定自定義的刪除方式，那是一個函數或函數對象。如下：

class Lock
{
public:
    explicit Lock(Mutex *pm)  
        : pMutex(pm, unlock)  // 以某個 Mutex 初始化 shared_ptr，
                              // 並以 unlock 函數爲刪除器。
    {
        lock(pMutex.get());  // get 獲取指針地址
    }
    
private:
    std::shared_ptr<Mutex> pMutex; // 使用 shared_ptr
};

請注意，本例的 Lock class 不再聲明析構函數。因爲編譯器會自動創立默認的析構函數，來自動調用其 non-static 成員變量（本例爲 pMutex ）的析構函數。

而 pMutex 的析構函數會在互斥器的引用次數爲 0 時，自動調用 std::shared_ptr 的刪除器（本例爲 unlock ）。

小結 - 請記住

複製 RAII 對象必須一併複製它的所管理的資源（深拷貝），所以資源的 copying 行爲決定 RAII 對象的 copying 行爲。
普通而常見的 RAII class copying 行爲是：禁止 copying、施行引用計數法。

細節 03 ：在資源類中提供對原始資源的訪問

智能指針「顯式」轉換，也就是通過 get 成員函數的方式轉換爲原始指針對象。

上面提到的「智能指針」分別是：std::auto_ptr、std::unique_ptr、std::shared_ptr。它們都有訪問原始資源的辦法，都提供了一個 get 成員函數，用來執行顯式轉換，也就是它會返回智能指針內部的原始指針（的復件）。

舉個例子，使用智能指針如 std::shared_ptr 保存 createA() 返回的指針對象：

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

假設你希望以某個函數處理 A 對象，像這樣：

int getInfo(const A* pA);

你想這麼調用它：

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

會編譯錯誤，因爲 getInfo 需要的是 A 指針對象，而不是類型爲 std::shared_ptr<A> 的對象。

這時候就需要用 std::shared_ptr 智能指針提供的 get 成員函數訪問原始的資源：

std::shared_ptr<A> pA(createA());
getInfo(pA.get());   // 很好，將 pA 內的原始指針傳遞給 getInfo

智能指針「隱式」轉換的方式，是通過指針取值操作符。

智能指針都重載了指針取值操作符（operator->和operator*），它們允許隱式轉換至底部原始指針：

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

A* createA();  // 工廠函數，創建指針對象

std::shared_ptr<A> pA(createA()); // 令 shared_ptr 管理對象資源

bool exist = pA->isExist();    // 經由 operator-> 訪問資源
bool exist2 = (*pA).isExist(); // 經由 operator* 訪問資源

多數設計良好的 classes 一樣，它隱藏了程序員不需要看到的部分，但是有程序員需要的所有東西。

所以對於自身設計 RAII classes 我們也要提供一個「取得其所管理的資源」的辦法。

小結 - 請記住

APIs 往往要求訪問原始資源，所以每一個 RAII class 應該提供一個「取得其所管理的資源」的辦法。
對原始資源的訪問可能經由顯式轉換或隱式轉換。一般而言顯式轉換比較安全，但隱式轉換比較方便。

細節 04：成對使用 new 和 delete

以下動作有什麼錯？

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

每件事情看起來都井然有序。使用了 new，也搭配了對應的 delete。但還是有某樣東西完全錯誤。strArray 所含的 100 個 string 對象中的 99 個不太可能被適當刪除，因爲它們的析構函數很可能沒有被調用。

當使用 new ，有兩件事發生：

內存被分配出來（通過名爲 operator new 的函數）
針對此內存會有一個或多個構造函數被調用

當使用 delete，也會有兩件事情：

針對此內存會有一個或多個析構函數被調用
然後內存才被釋放（通過名爲 operator delete 的函數）

delete 的最大問題在於：即將被刪除的內存之內究竟有多少對象？這個答案決定了需要執行多少個析構函數。

對象數組所用的內存通常還包括「數組大小」的記錄，以便 delete 知道需要調用多少次析構函數。單一對象的內存則沒有這筆記錄。你可以把兩者不同的內存佈局想象如下，其中 n 是數組大小：

當你對着一個指針使用 delete，唯一能夠讓 delete 知道內存中是否存在一個「數組大小記錄」的辦法就是：由你告訴它。如果你使用 delete 時加上中括號**[]**，delete 便認定指針指向一個數組，否則它便認定指針指向一個單一對象：

std::string* strArray = new std::string[100];
std::string* strPtr = new std::strin;
... 
delete [] strArray;  // 刪除一個對象
delete strPtr;       // 刪除一個由對象組成的數組

遊戲規則很簡單：

如果你在 new 表達式中使用[]，必須在相應的 delete 表達式也使用[]。
如果你在 new 表達式中不使用[]，一定不要在相應的 delete 表達式使用[]。

小結 - 請記住

如果你在 new 表達式中使用[]，必須在相應的 delete 表達式也使用[]。如果你在 new 表達式中不使用[]，一定不要在相應的 delete 表達式使用[]。

細節 05：以獨立語句將 newed （已被 new 的）對象置入智能指針

假設我們有個以下示範的函數：

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

現在考慮調用 fun：

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

它不能通過編譯，因爲 std::shared_ptr 構造函數需要一個原始指針，而且該構造函數是個 explicit 構造函數，無法進行隱式轉換。如果寫成這樣就可以編譯通過：

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

令人想不到吧，上述調用卻可能泄露資源。接下來我們來一步一步的分析爲什麼存在內存泄漏的可能性。

在進入 fun 函數之前，肯定會先執行各個實參。上述第二個實參只是單純的對 getNum 函數的調用，但第一個實參 std::shared_ptr<A>(new A) 由兩部分組成：

執行 new A 表達式
調用 std::shared_ptr 構造函數

於是在調用 fun 函數之前，先必須做以下三件事：

調用 getNum 函數
執行 new A 表達式
調用 std::shared_ptr 構造函數

那麼他們的執行次序是一定如上述那樣的嗎？可以確定的是 new A 一定比 std::shared_ptr 構造函數先被執行。但對 getNum 調用可以排在第一或第二或第三執行。

如果編譯器選擇以第二順位執行它：

執行 new A 表達式
調用 getNum 函數
調用 std::shared_ptr 構造函數
萬一在調用 getNum 函數發生了異常，會發生什麼事情？在此情況下 new A 返回的指針將不會置入 std::shared_ptr 智能指針裏，就存在內存泄漏的現象。

避免這類問題的辦法很簡單：使用分離語句。

分別寫出：

創建 A
將它置入一個智能指針內
然後再把智能指針傳遞給 fun 函數。

std::shared_ptr<A> pA(new A); // 先構造智能指針對象
fun(pA, getNum()); // 這個調用動作絕不至於造成泄漏。

以上的方式，就能避免原本由於次序導致內存泄漏發生。

小結 - 請記住

以獨立語句將 newed （已 new 過）對象存儲於智能指針內。如果不這樣做，一旦異常被拋出，有可能導致難以察覺的資源泄漏。

最後

本文部分內容參考了《Effective C++ （第3版本）》第三章節內容，前兩章節的內容可看舊文
《學過 C++ 的你，不得不知的這 10 條細節！》

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「C++ 」借來的資源，如何還的瀟灑？

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正文

細節 01 ：以對象管理資源

std::auto_ptr

std::unique_ptr

std::shared_ptr

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細節 02：在資源管理類中小心 copying 行爲

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細節 03 ：在資源類中提供對原始資源的訪問

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細節 04：成對使用 new 和 delete

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細節 05：以獨立語句將 newed （已被 new 的）對象置入智能指針

小結 - 請記住

最後

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