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文章概述

內(nèi)存管理對(duì)于每種開發(fā)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)都是一個(gè)十分重要的話題；即使像Java這種擁有“復(fù)雜”垃圾收集器的語(yǔ)言，也會(huì)面臨GC帶來(lái)的各種困擾。

C++程序設(shè)計(jì)中的很多bug也是因?yàn)閮?nèi)存管理不善導(dǎo)致的，而且難以發(fā)現(xiàn)和排除；如何有條理地管理內(nèi)存，對(duì)于C++開發(fā)尤為重要。

“他山之石可以攻玉”，在研究如何做好C++內(nèi)存管理之前，我們也可以看下其他語(yǔ)言是怎么做內(nèi)存管理的，有什么模式或者模型能為我們所借鑒，能夠更好地幫助我們理解和做好C++的內(nèi)存管理。

01

不同語(yǔ)言的內(nèi)存管理機(jī)制介紹

C/C++、Java、Objective-C/Swift 和Golang 是幾種使用廣泛的語(yǔ)言，內(nèi)存管理機(jī)制也相對(duì)典型。

1.1 C/C++

C??也常被稱作“可移植的匯編”，誕生之初主要是解決匯編語(yǔ)言的移植問題，在嵌入式和操作系統(tǒng)等相對(duì)底層的開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；對(duì)于復(fù)雜的業(yè)務(wù)問題，因?yàn)樗鼪]有面向?qū)ο蟮哪芰Γú缓贸橄髽I(yè)務(wù)邏輯），顯得難以應(yīng)付。

C++?是一種很弱的面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言（模版和Interface幾乎是一種相互違背的思想）。為了兼容幾乎所有的C特性，背上了比較重的歷史包袱。在C++11之后，這種現(xiàn)象有了比較大程度的改善，各種新的語(yǔ)言特性可以讓C++開發(fā)者開發(fā)出更優(yōu)雅、健壯的代碼。

C語(yǔ)言的內(nèi)存管理是典型的手動(dòng)管理機(jī)制，通過malloc申請(qǐng)，free釋放。

C++語(yǔ)言除了手動(dòng)管理之外，還擁有弱的“垃圾回收機(jī)制”（智能指針的支持)。

C/C++中常見的內(nèi)存管理問題有：

a. 數(shù)組訪問越界

（Java語(yǔ)言可拋出ArrayIndexOutOfBoundsException）

b. 內(nèi)存訪問超越生命周期

??棧彈出之后，依舊進(jìn)行訪問

（函數(shù)返回內(nèi)部棧地址）

??堆內(nèi)存釋放，依舊進(jìn)行訪問

c.?內(nèi)存泄露?(沒有釋放不再使用的內(nèi)存）

d.?懸空指針導(dǎo)致的問題

??指針指向內(nèi)存釋放之后，指針沒有復(fù)位（設(shè)置為nullptr）

??使用沒有復(fù)位（不為null）的無(wú)效內(nèi)存（已釋放或者未申請(qǐng)的內(nèi)存）

e. C++獨(dú)有的問題

??非預(yù)期內(nèi)的拷貝構(gòu)造函數(shù)調(diào)用帶來(lái)的過度復(fù)制（性能問題）

??不合理的復(fù)制、拷貝構(gòu)造函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致的意外數(shù)據(jù)共享（沒有設(shè)置為nocopyable）

1.2 Java

Java 是一種面向?qū)ο蟮默F(xiàn)代語(yǔ)言，有著豐富的語(yǔ)言特性和開發(fā)生態(tài)。Java語(yǔ)言是為了實(shí)現(xiàn)下一代智能家電的通用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。在借鑒C++語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，又摒棄了C++

的一些復(fù)雜特性（可能降低軟件開發(fā)質(zhì)量）。

比如：

a.?不允許多繼承

b. 更純粹的interface

c.?所有皆對(duì)象（基礎(chǔ)類型除外）

d. non-static方法默認(rèn)支持多態(tài)

e. 等等

不想“有心栽花花不開，無(wú)心插柳柳成蔭”。

Java 在家電市場(chǎng)毫無(wú)起色，卻因?yàn)閮?yōu)異的網(wǎng)絡(luò)編程支持能力、平臺(tái)無(wú)關(guān)性、垃圾回收等能力，加上恰逢互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，而后在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)上大放異彩。

Java 因?yàn)橛刑摂M機(jī)的支持（先編譯成字節(jié)碼，由虛擬機(jī)解釋成不同平臺(tái)的“語(yǔ)言”），可以做到“一次編譯，到處運(yùn)行”。

Java 目前在后臺(tái)開發(fā)、大數(shù)據(jù)以及App開發(fā)領(lǐng)域（Kotlin也是類Java語(yǔ)言）有著非常廣泛的應(yīng)用。

Java 的內(nèi)存管理依托于JVM的垃圾回收器（Garbage Collections）

一般而言，垃圾回收的步驟包括兩步：

a. 找到可被回收的對(duì)象；

b. 進(jìn)行內(nèi)存回收和整理

JVM(HotSpot)的GC也是如此。

（一）可收回對(duì)象判斷

JVM GC基于可達(dá)分析，來(lái)查找可回收對(duì)象；可以避免引用計(jì)數(shù)方案的循環(huán)引用問題。

? （圖1 基于根的可達(dá)對(duì)象分析）

（二）可回收策略和算法

幾乎所有的垃圾回收器，都存在STW問題，高效回收以及降低對(duì)業(yè)務(wù)代碼執(zhí)行的影響是一件很難的事情。為了盡可能地優(yōu)化性能，GC采用?分代收集?和?標(biāo)記-清除/標(biāo)記-清除-整理/標(biāo)記-復(fù)制?進(jìn)行內(nèi)存回收。

??分代收集 （新生代和老年代）

不難理解，新申請(qǐng)的內(nèi)存比較大的概率可以在不久后刪除；如果一個(gè)內(nèi)存存在比較久了，那么接下來(lái)被回收的概率就會(huì)比較低；新生代的回收會(huì)比較輕量和高效，老年代的GC相對(duì)會(huì)比較重。

-?G1之前基本都是下圖這種典型的分代內(nèi)存模型。

（圖2 典型的內(nèi)存分代模型）

- G1仍然保留了新生代和老年代的概念，但是新生代和老年代的內(nèi)存區(qū)域不再固定，都是一系列的動(dòng)態(tài)集合。

（圖3?G1的內(nèi)存分代模型）

??標(biāo)記-清除/標(biāo)記-清除-整理/標(biāo)記-復(fù)制

-?標(biāo)記-清除?方法相對(duì)簡(jiǎn)單、高效，但是會(huì)存在內(nèi)存碎片；

-?標(biāo)記-清除-整理?可以解決內(nèi)存碎片的問題，但是會(huì)增加GC的持續(xù)時(shí)間（好處大于壞處）；

-?標(biāo)記-復(fù)制?方法類似于ping-pang機(jī)制，需要有兩片內(nèi)存區(qū)域；在內(nèi)存清理階段，會(huì)將存活對(duì)象統(tǒng)一放到一個(gè)區(qū)域，而釋放另外一個(gè)區(qū)域；和整理方法一樣，也不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，并且復(fù)制和標(biāo)記可以同時(shí)進(jìn)行，但是需要更多的內(nèi)存區(qū)域。

JVM有多種垃圾收集器可供選擇，需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求（低延遲or高吞吐）進(jìn)行權(quán)衡，CMS和G1使用相對(duì)較多。

a.?CMS用于老年代的垃圾回收，追求最短停頓；

b.?G1老年代和新生代都可以使用，并且相對(duì)高效；

c.?Java11 推出的Z Garbage Collector（ZGC）有著不錯(cuò)的性能，目前基本可以投入生產(chǎn)。

（https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/gctuning/z-garbage-collector1.html）

1.3 Objective-C/Swift

Objective-C?是基于C語(yǔ)言發(fā)展出的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語(yǔ)言（Objective)；Objective-C的語(yǔ)法相對(duì)繁瑣、不夠便捷，所以蘋果在2014推出了Swift，擁有腳本語(yǔ)言般的表現(xiàn)力。

Objective-C 的內(nèi)存管理基于簡(jiǎn)單的引用計(jì)數(shù)，

可以分為兩類：

??MRR：Manual Retain-Release

（圖4 Objective-C MRR機(jī)制）

? ARC：Automatic Reference Counting

ARC底層還是MRR，只是由編譯器在恰當(dāng)?shù)奈恢脦臀覀儾迦雛etain和release。是否開啟ARC支持和編譯器版本以及編譯器選項(xiàng)有關(guān)。

1.4 Golang

Golang?也是具備垃圾回收的一種語(yǔ)言，主要應(yīng)用在后端開發(fā)領(lǐng)域；回收策略也是基于可達(dá)對(duì)象分析和標(biāo)記-清除-整理/復(fù)制算法。

和Java的比對(duì)，可以參考以下鏈接：

https://blog.mooncascade.com/go-vs-java-we-chose-go-and-you-should-too/

02

引用模型對(duì)對(duì)象生命周期的影響

不同的引用類型對(duì)對(duì)象的生命周期影響不一樣，從語(yǔ)義上可分為三類：

??強(qiáng)引用（Strong reference）

- 強(qiáng)引用對(duì)象，不可以被回收

-?如果是基于引用計(jì)數(shù)，引用計(jì)數(shù)會(huì)被影響

??軟引用（Soft reference）

-?非必要不回收，比如JVM在OOM之前會(huì)嘗試對(duì)Soft reference對(duì)象進(jìn)行回收

-?如果基于引用計(jì)數(shù)，會(huì)退化為弱引用

??弱引用（Weak reference)??

-?不影響對(duì)象生命期

-?如果基于引用計(jì)數(shù)，不會(huì)影響引用計(jì)數(shù)

03

C++的內(nèi)存管理方案

原則：盡量使用智能指針，不要擔(dān)心智能指針帶來(lái)性能損耗。

3.1 手動(dòng)管理內(nèi)存

在某些場(chǎng)景下，C++需要手動(dòng)管理內(nèi)存；我們可以使用一些技巧來(lái)更安全地使用和管理內(nèi)存。

a.?避免懸空指針

（點(diǎn)擊查看大圖）

b.?基于Allocator 策略進(jìn)行內(nèi)存分配

-?通過Allocator可以改變stl容器的內(nèi)存分配機(jī)制，比如為vector在棧上分配內(nèi)存；或者使用內(nèi)存池進(jìn)行內(nèi)存管理；

（點(diǎn)擊查看大圖）

3.2?COM 接口式內(nèi)存管理

COM （Component Object Model）是微軟在1993年提出的一種二進(jìn)制兼容的方案或者標(biāo)準(zhǔn)，其中的思想還是挺值得插件開發(fā)借鑒（非windows平臺(tái)）。

3.2.1 使用COM接口的優(yōu)勢(shì)

（一）COM接口可以解決插件開發(fā)領(lǐng)域的兩個(gè)典型的兼容問題

a.?接口的內(nèi)存布局結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的兼容問題

（圖5 接口的內(nèi)存布局變化導(dǎo)致的兼容問題）

b.?不同的編譯器、不同系統(tǒng)源碼庫(kù)帶來(lái)的兼容問題

（圖6 內(nèi)存管理不同版本帶來(lái)的兼容問題）

（二）COM接口為什么可以解決上述的問題？

a.?COM強(qiáng)調(diào)面向接口，插件的邊界只能是interface，COM接口不允許有任何的數(shù)據(jù)域

（圖7 COM嚴(yán)格以接口為邊界）

b.?COM接口需要暴露AddRef和Release接口，用來(lái)進(jìn)行閉環(huán)（插件申請(qǐng)插件釋放）的內(nèi)存管理

3.2.2 COM接口例子

? 場(chǎng)景：

?Application需要一個(gè)插件來(lái)提供讀和寫的功能

??原則：

所有的接口都要繼承?IUnknown?，發(fā)布的interface都需要有唯一ID

? DEMO：

a.?com.h

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b.?interface.h 插件對(duì)外發(fā)布的接口

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c.?export_api.h ?是插件的唯一接口暴露點(diǎn)

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d.?interface_impl.cpp 插件的功能實(shí)現(xiàn)，可以使用繼承，也可以使用聚合的方法

?

（點(diǎn)擊查看大圖）

e.?插件的使用

（點(diǎn)擊查看大圖）

? Output：

（點(diǎn)擊查看大圖）

3.3 C++ 智能指針

C++11的很多特性都是先從boost引入技術(shù)報(bào)告（TR），然后進(jìn)入到C++標(biāo)準(zhǔn)，智能指針就是如此。

（圖8 C++標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)）

不同類型智能指針的比較：

（點(diǎn)擊查看大圖）

3.3.1?shared_ptr

shared_ptr是使用最廣泛的智能指針，可以進(jìn)行所有權(quán)共享；當(dāng)沒有任何人持有，引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候內(nèi)存自動(dòng)釋放。

智能指針內(nèi)部有兩個(gè)重要的塊：

a.??數(shù)據(jù)塊?指向內(nèi)存地址的指針

b.??控制塊?存放引用計(jì)數(shù)等信息

（圖9 shared_ptr原理）

3.3.2 weak_ptr

weak_ptr是shared_ptr的伴生品，weak_ptr沒有獨(dú)立存在意義。

（圖10 weak_ptr和shared_ptr的關(guān)系）

weak_ptr 可以解決share_ptr在兩個(gè)場(chǎng)景下的問題：

a. shared_ptr的循環(huán)引用，會(huì)造成內(nèi)存泄露

b. 觀察者模式 被觀察對(duì)象subject不應(yīng)該影響observer的生命周期

（點(diǎn)擊查看大圖）

Output：

（點(diǎn)擊查看大圖）

3.3.3?unique_ptr

unique_ptr 指向?qū)ο蟮乃袡?quán)獨(dú)享，在出作用域unique_ptr析構(gòu)時(shí)釋放內(nèi)存（和boost::scoped_ptr類似）。

如果要轉(zhuǎn)移所有權(quán)，需要使用std::move。（類似的有std::thread，所有權(quán)獨(dú)占）

（圖11 unique_ptr的所有權(quán)轉(zhuǎn)移）

3.3.4?intrusive_ptr

侵入式（智能）指針，和share_ptr用起來(lái)很像。intrusive_ptr提供了自定義引用計(jì)數(shù)的能力，適合用來(lái)管理第三方接口。比如用intrusive_ptr來(lái)管理COM接口。

只需要實(shí)現(xiàn)?IUnknown?類型的?intrusive_ptr_add_ref?和?intrusive_ptr_release?方法，就可以像share_ptr一樣來(lái)使用COM接口了。

（點(diǎn)擊查看大圖）

Output：

（點(diǎn)擊查看大圖）

3.3.5?utilities

a.?使用make_shared/make_unique構(gòu)造智能指針，減少構(gòu)造性能損耗；（https://en.cppreference.com/w/cpp/memory/shared_ptr/make_shared）

b.?owner-based (as opposed to value-based) order??（https://en.cppreference.com/w/cpp/memory/shared_ptr/owner_before）

??owner-based order?

可以看作為控制塊的比較，看受智能指針影響生命期的對(duì)象是不是一個(gè)；

??value-based order

可以看作數(shù)據(jù)塊的比較，比較內(nèi)存地址

（點(diǎn)擊查看大圖）

Output：

（點(diǎn)擊查看大圖）

c.?shared_from_this

??使用場(chǎng)景：

一個(gè)被智能指針管理的對(duì)象（class A的對(duì)象），在對(duì)象的內(nèi)部，又要調(diào)用一個(gè)使用std::shared_ptr的函數(shù)。

??網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景示例：

connection表示一個(gè)鏈接，連接成功之后，在?run?函數(shù)內(nèi)部調(diào)用?async_run?，實(shí)現(xiàn)異步讀操作；這個(gè)時(shí)候需要把自己的智能指針傳遞進(jìn)去，從而進(jìn)行生命期的托管。

（點(diǎn)擊查看大圖）

模擬一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接產(chǎn)生

（點(diǎn)擊查看大圖）

測(cè)試

（點(diǎn)擊查看大圖）

即使馬上將connection變量釋放，出了作用域之后，我們?nèi)匀豢梢赃M(jìn)行read操作。

-?例子使用的Thread pool

（點(diǎn)擊查看大圖）

std::enable_shared_from_this本質(zhì)上是一個(gè)語(yǔ)法糖，在基類中使用weak_ptr來(lái)幫我們避免了循環(huán)引用（自己引用自己）。

（點(diǎn)擊查看大圖）

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網(wǎng)站標(biāo)題：DeepRouteLab|C++內(nèi)存管理介紹-創(chuàng)新互聯(lián)
瀏覽路徑：http://aaarwkj.com/article18/ccosdp.html

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