C++堆內存管理

C++堆內存管理

 

1. auto_ptr的缺陷

在很早的C++98以前，C++用"auto_ptr"智能指針來管理堆分配的內存，它的使用很是簡單：

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

即將new操做返回的指針做爲auto_ptr的初始值，不用調用delete便可實現堆內存的自動釋放（如析構的時候）。

因爲auto_ptr自己存在一些問題，它在C++11中被拋棄了。例如

1. auto_ptr不能共享指向對象的全部權,由於auto_ptr不含有賦值語義，而是轉移語義，即對象控制權的轉移。
2. auto_ptr不能指向數組。由於其實現中調用的是delete而非delete[]。
3. auto_ptr不能做爲容器類的元素，由於不知足容器的要求，複製或賦值後，兩個對象必須具備相同值。

取而代之的是unique_ptr、share_ptr、weak_ptr等智能指針來回收有堆分配的對象。

1. unique_ptr指針

unique_ptr顧名思義即沒法複製的智能指針，以下：

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

它不能與其餘的unique_ptr指針對象共享所指向的內存，以下的表達式是不容許的：

unique_ptr<int> var_ptr2= var_ptr1；

可是能夠經過:

unique_ptr<int> var_ptr2=move(var_ptr1)；

將var_ptr1的全部權轉移給var_ptr2。

這裏unique_ptr和auto_ptr同樣不能共享指向對象的全部權。簡單的狀況下使用unique_ptrk能夠直接代替auto_ptr指針。爲了解決auto_ptr不能共享對象內存是全部權的這一問題，C++11引入了share_ptr。

 

1. share_ptr指針

share_ptr容許多個智能指針共享同一對象由堆所分配的內存，

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

share_ptr<int> var_ptr4= var_ptr3;

在var_ptr3將內存釋放後，

var_ptr3.reset();

即顯式的調用var_ptr3.reset()後，var_ptr4所指向的爲原來var_ptr3所分配的內存不受任何影響，而只是將指向這塊內存的引用計數減一，若是引用計數減到0後，說明這塊內存的全部者都不須要這塊內存了，share_ptr才真正釋放堆內存空間。

 

可是如何知道一個share_ptr智能指針的引用計數減爲0了，也就是說如何判斷share_ptr的有效性呢？weak_ptr智能智能的lock成員能夠幫上忙。

 

1. share_ptr指針

weak_ptr操做也很簡單，以下：

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();

經過ptr是否爲空便可判斷share_ptr的有效性。

總而言之，unique_ptr在通常的狀況下能夠代替auto_ptr指針，而share_ptr和weak_ptr則能夠用在須要引用計數的地方。

1. 垃圾回收機制

智能指針能夠有效的幫助程序員管理堆內存，可是須要顯式的聲明智能指針，可是向其餘的一些語言如JAVA和python則徹底不須要考慮回收指針類型，由於他們支持垃圾回收機制，而C++目前只支持最小垃圾回收機制。

垃圾回收的方法：

基於引用計數

引用計數的方法比較簡單，在系統分配堆內存給一個對象後引用計數加一，當某一個對象釋放堆內存後引用計數減一，直到引用計數爲0，被分配給對象的內存則被回收。

優勢：不會形成程序暫停，不會對系統緩存和交換空間形成衝擊。

缺點：不能解決"環形引用"的問題，計數開銷不小。

 

基於跟蹤處理

基於跟蹤處理的垃圾回收機制的基本思想是產生跟蹤對象的關係圖。

1. 標記-清除

   從根對象開始查找它們所引用的堆空間，並在這些堆空間上作標記，當標記結束後，全部的被標記的對象爲可達對象或活對象，沒有被標記的則被認爲是垃圾，而後這些垃圾被回收。

   缺點：活對象因爲不會被移動則會產生大量的內存碎片。

2. 標記-整理

   此方法和和標記清除的方法同樣，可是在標記完以後會將可達對象也就是活對象向左靠齊，由此解決了內存水平地問題。

3. 標記-拷貝

   此算法實際上是標記整理的另一種實現方式，它也有一些問題就是對的利用率只有一半，也須要移動活對象。

   1. C++最下垃圾回收機制

C++目前只支持最小垃圾回收機制，這其中最主要的緣由是C/C++對指針操做的靈活性，固然這也是C/C++的特色和優點，由於這是的程序員能夠直接操做內存，這也是爲何C++程序更加高效的緣由之一，可是正是因爲這個特色和優點使得C/C++要實現內存垃圾回收會存現一些"不安全的"情況，這致使了C++到目前爲止尚未徹底支持垃圾回收。

爲何說C++對指針的操做會致使垃圾回收時產生不安全的因素呢？看下式：

Int *p =new int;

P+=10;

p-=10;

*p=10;

在上面的操做中咱們能夠看出，在指針移動後，若是垃圾回收器被設計爲這個時候回收p原來指向的內存，則會致使p再次移動回原來位置的時候指向了一個無效的地址（指針已經被回收了）；後面的*p=10對這個無效的指針進行操做可想而知後果是什麼，這就致使設計垃圾回收器的時候進入了一個兩難的境地，如何設計才能保證內存垃圾被正確的回收，這就給C++的垃圾回收器的設計帶來挑戰，究竟是從編譯器端着手解決這些問題，仍是其餘方式，如今尚未定論。

正是因爲這些安全的問題，致使C++目前爲止只支持最小垃圾回收機制。最下垃圾回收機制針對提出了安全派生指針，它是指由new分配的對象或其子對象的指針。

1. 在解引用基礎上的引用，好比：&*p。
2. 定義明確的指針操做，好比：p+1；
3. 定義明確的指針轉換，好比：static_cast<void>(p).
4. 指針和整型之間的reinterpret_cast,好比：reinterpret_cast<intptr_t>(p)

    

   【查看編譯器是否支持這個特性】，能夠經過下式：

   Point_safety get_pointer_safty() noexcept

   若是它返回point_safety類型的值，若是值爲pointer_safety::strict, 則代表編譯器支持最小垃圾回收及安全派生指針，若是返回爲pointer_safety::relax或pointer_safety::preferred則代表編譯器不支持。

   【通知垃圾回收器不得回收某資源】可經過下面的接口實現。

   Void declare_reachable(void * p);

   即通知垃圾回收器某一資源爲可到達，這樣垃圾回收器就不會回收該資源。

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

   將資源的可達聲明取消，垃圾回收器可見該資源，則能夠回收該資源。

    

   【對大片連續內存的操做】有如下API實現：

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

   這個函數能夠告訴垃圾回收器*p指向的n大小的內存不存在有效的指針。

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

   這個函數能夠告訴垃圾回收器*p指向的n大小的內存存在有效的指針。

    

   1. C++最小垃圾回收機制的支持

C++11標準中針對垃圾回收的支持僅限於new操做符分配的內存，而用malloc分配內存則不予回收，程序員仍是須要本身控制堆內存的回收。