C++堆内存管理

C++堆内存管理

 

1. auto_ptr的缺陷

在很早的C++98之前，C++用"auto_ptr"智能指针来管理堆分配的内存，它的使用非常简单：

auto_ptr<int> ap(new int(1024));

即将new操作返回的指针作为auto_ptr的初始值，不用调用delete即可实现堆内存的自动释放（如析构的时候）。

由于auto_ptr本身存在一些问题，它在C++11中被抛弃了。例如

1. auto_ptr不能共享指向对象的所有权,因为auto_ptr不含有赋值语义，而是转移语义，即对象控制权的转移。
2. auto_ptr不能指向数组。因为其实现中调用的是delete而非delete[]。
3. auto_ptr不能作为容器类的元素，因为不满足容器的要求，复制或赋值后，两个对象必须具有相同值。

取而代之的是unique_ptr、share_ptr、weak_ptr等智能指针来回收有堆分配的对象。

1. unique_ptr指针

unique_ptr顾名思义即无法复制的智能指针，如下：

unique_ptr<int> var_ptr1(new int(11));

它不能与其他的unique_ptr指针对象共享所指向的内存，如下的表达式是不允许的：

unique_ptr<int> var_ptr2= var_ptr1；

但是可以通过:

unique_ptr<int> var_ptr2=move(var_ptr1)；

将var_ptr1的所有权转移给var_ptr2。

这里unique_ptr和auto_ptr一样不能共享指向对象的所有权。简单的情况下使用unique_ptrk可以直接代替auto_ptr指针。为了解决auto_ptr不能共享对象内存是所有权的这一问题，C++11引入了share_ptr。

 

1. share_ptr指针

share_ptr允许多个智能指针共享同一对象由堆所分配的内存，

share_ptr<int> var_ptr3(new int(12));

share_ptr<int> var_ptr4= var_ptr3;

在var_ptr3将内存释放后，

var_ptr3.reset();

即显式的调用var_ptr3.reset()后，var_ptr4所指向的为原来var_ptr3所分配的内存不受任何影响，而只是将指向这块内存的引用计数减一，如果引用计数减到0后，说明这块内存的所有者都不需要这块内存了，share_ptr才真正释放堆内存空间。

 

但是如何知道一个share_ptr智能指针的引用计数减为0了，也就是说如何判断share_ptr的有效性呢？weak_ptr智能智能的lock成员可以帮上忙。

 

1. share_ptr指针

weak_ptr操作也很简单，如下：

share_ptr<int> var_ptr3(new int(12));

share_ptr<int> var_ptr4= var_ptr3;

weak_ptr<int> w_ptr= var_ptr3;

share_ptr<int> ptr = w_ptr.lock();

通过ptr是否为空即可判断share_ptr的有效性。

总而言之，unique_ptr在一般的情况下可以代替auto_ptr指针，而share_ptr和weak_ptr则可以用在需要引用计数的地方。

1. 垃圾回收机制

智能指针可以有效的帮助程序员管理堆内存，但是需要显式的声明智能指针，但是向其他的一些语言如JAVA和python则完全不需要考虑回收指针类型，因为他们支持垃圾回收机制，而C++目前只支持最小垃圾回收机制。

垃圾回收的方法：

基于引用计数

引用计数的方法比较简单，在系统分配堆内存给一个对象后引用计数加一，当某一个对象释放堆内存后引用计数减一，直到引用计数为0，被分配给对象的内存则被回收。

优点：不会造成程序暂停，不会对系统缓存和交换空间造成冲击。

缺点：不能解决"环形引用"的问题，计数开销不小。

 

基于跟踪处理

基于跟踪处理的垃圾回收机制的基本思想是产生跟踪对象的关系图。

1. 标记-清除

   从根对象开始查找它们所引用的堆空间，并在这些堆空间上做标记，当标记结束后，所有的被标记的对象为可达对象或活对象，没有被标记的则被认为是垃圾，然后这些垃圾被回收。

   缺点：活对象由于不会被移动则会产生大量的内存碎片。

2. 标记-整理

   此方法和和标记清除的方法一样，但是在标记完之后会将可达对象也就是活对象向左靠齐，由此解决了内存水平地问题。

3. 标记-拷贝

   此算法其实是标记整理的另外一种实现方式，它也有一些问题就是对的利用率只有一半，也需要移动活对象。

   1. C++最下垃圾回收机制

C++目前只支持最小垃圾回收机制，这其中最主要的原因是C/C++对指针操作的灵活性，当然这也是C/C++的特点和优势，因为这是的程序员可以直接操作内存，这也是为什么C++程序更加高效的原因之一，但是正是由于这个特点和优势使得C/C++要实现内存垃圾回收会存现一些"不安全的"状况，这导致了C++到目前为止还没有完全支持垃圾回收。

为什么说C++对指针的操作会导致垃圾回收时产生不安全的因素呢？看下式：

Int *p =new int;

P+=10;

p-=10;

*p=10;

在上面的操作中我们可以看出，在指针移动后，如果垃圾回收器被设计为这个时候回收p原来指向的内存，则会导致p再次移动回原来位置的时候指向了一个无效的地址（指针已经被回收了）；后面的*p=10对这个无效的指针进行操作可想而知后果是什么，这就导致设计垃圾回收器的时候进入了一个两难的境地，如何设计才能保证内存垃圾被正确的回收，这就给C++的垃圾回收器的设计带来挑战，到底是从编译器端着手解决这些问题，还是其他方式，现在还没有定论。

正是由于这些安全的问题，导致C++目前为止只支持最小垃圾回收机制。最下垃圾回收机制针对提出了安全派生指针，它是指由new分配的对象或其子对象的指针。

1. 在解引用基础上的引用，比如：&*p。
2. 定义明确的指针操作，比如：p+1；
3. 定义明确的指针转换，比如：static_cast<void>(p).
4. 指针和整型之间的reinterpret_cast,比如：reinterpret_cast<intptr_t>(p)

    

   【查看编译器是否支持这个特性】，可以通过下式：

   Point_safety get_pointer_safty() noexcept

   如果它返回point_safety类型的值，如果值为pointer_safety::strict, 则表明编译器支持最小垃圾回收及安全派生指针，如果返回为pointer_safety::relax或pointer_safety::preferred则表明编译器不支持。

   【通知垃圾回收器不得回收某资源】可通过下面的接口实现。

   Void declare_reachable(void * p);

   即通知垃圾回收器某一资源为可到达，这样垃圾回收器就不会回收该资源。

   Template <class T> T *undeclare_reachable(T *p) noexcept;

   将资源的可达声明取消，垃圾回收器可见该资源，则可以回收该资源。

    

   【对大片连续内存的操作】有以下API实现：

   Void declare_no_pointers(char *p,size_t n) noexcept;

   这个函数可以告诉垃圾回收器*p指向的n大小的内存不存在有效的指针。

   Void undeclare_no_pointers(char *p,size_t n) noexcept;

   这个函数可以告诉垃圾回收器*p指向的n大小的内存存在有效的指针。

    

   1. C++最小垃圾回收机制的支持

C++11标准中针对垃圾回收的支持仅限于new操作符分配的内存，而用malloc分配内存则不予回收，程序员还是需要自己控制堆内存的回收。