一、基本概念

1.堆

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操作的区域的heap

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

2.栈

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）。

3.RAII

RALL，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。

二、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. // C++
  2. auto ptr = new std::vector<int>();
  4. // Java
  5. ArrayList<int> list = new ArrayList<int>();
  7. # Python
  8. lst = list()

从历史的角度，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。不过，由于大家多半对这种用法比较熟悉，特别是从 C 和 C++ 以外的其他语言开始学习编程的程序员，所以提到内存管理，我们还是先讨论一下使用堆的编程方式。

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. 让内存管理器分配一个某个大小的内存块
  2. 让内存管理器释放一个之前分配的内存块
  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。

需要略加说明的是，上面的三个操作都不简单，并且彼此之间是相关的。

第一，分配内存要考虑程序当前已经有多少未分配的内存。内存不足时要从操作系统申请新的内存。内存充足时，要从可用的内存里取出一块合适大小的内存，做簿记工作将其标记为已用，然后将其返回给要求内存的代码。
需要注意到，绝大部分情况下，可用内存都会比要求分配的内存大，所以代码只被允许使用其被分配的内存区域，而剩余的内存区域仍属于未分配状态，可以在后面的分配过程中使用。另外，如果内存管理器支持垃圾收集的话，分配内存的操作还可能会触发垃圾收集。
第二，释放内存不只是简单地把内存标记为未使用。对于连续未使用的内存块，通常内存管理器需要将其合并成一块，以便可以满足后续的较大内存分配要求。毕竟，目前的编程模式都要求申请的内存块是连续的。
第三，垃圾收集操作有很多不同的策略和实现方式，以实现性能、实时性、额外开销等各方面的平衡。由于 C++ 里通常都不使用垃圾收集，所以就不是我们专栏的重点，不再展开讲解。

下面这张图展示了一个简单的分配过程：
C 堆、栈、RAII - 图1
注意在图 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。

但真的很简单、可以高枕无忧了吗？

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？

我们还是看一些代码例子。

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

这个很简单吧，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。这样写代码的，估计可能是从 Java 转过来的（偷笑）— 但我真见过这样的代码。

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

这样的话，会漏 delete 的可能性是不是大多了？有关这个问题的解决方法，我们在下一讲还会提到。

好，堆我们暂时就讨论到这儿。下面，我们看看更符合 C++ 特性的栈内存分配。

三、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. void foo(int n)
  2. {
  3.     ...
  4. }
  6. void bar(int n)
  7. {
  8.     int a = n + 1;
  9.     foo(a);
  10. }
  12. int main()
  13. {
  14.     ...
  15.     bar(42);
  16.     ...
  17. }

这段代码执行过程中的栈变化，我画了下面这张图来表示：

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。

注意到了没有，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：
C 堆、栈、RAII - 图2
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。

注意到了没有，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。

顺便说一句，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

下面是一段简短的代码，可以演示栈展开：

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

执行代码的结果是：

  1. Obj()
  2. ~Obj()
  3. Obj()
  4. ~Obj()
  5. 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。要用好 C++，就需要理解它的值语义的特点。

对堆和栈有了基本了解之后，我们继续往下，聊一聊 C++ 的重要特性 RAII。

四、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. enum class shape_type {
  2.     circle,
  3.     triangle,
  4.     rectangle,
  5.     ...
  6.     };
  7. class shape { ... };
  8. class circle : public shape { ... };
  9. class triangle : public shape { ... };
  10. class rectangle : public shape { ... };
  12. shape* create_shape(shape_type type)
  13. {
  14.     //...
  15.     switch (type) {
  16.         case shape_type::circle:
  17.             return new circle(...);
  18.         case shape_type::triangle:
  19.             return new triangle(...);
  20.         case shape_type::rectangle:
  21.             return new rectangle(...);
  22.     //...
  23.     }
  24. }

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

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：

  1. // new circle(…)
  2. {
  3.   void* temp = operator new(sizeof(circle));
  4.   try {
  5.     circle* ptr = static_cast<circle*>(temp);
  6.     ptr->circle(...);
  7.     return ptr;
  8.   }
  9.   catch (...) {
  10.     operator delete(ptr);
  11.     throw;
  12.   }
  13. }
  14. if (ptr != nullptr) {
  15.   ptr->~shape();
  16.   operator delete(ptr);
  17. }

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

而不是：

  1. std::mutex mtx;
  3. void some_func()
  4. {
  5.     mtx.lock();
  6.     //  做需要同步的工作……
  7.     //  如果发生异常或提前返回，
  8.     //  下面这句不会自动执行。
  9.     mtx.unlock();
  10. }

顺便说一句，上面的 shape_wrapper 差不多就是个最简单的智能指针了。