DeepRouteLab|C++内存管理介绍-创新互联
文章概述
内存管理对于每种开发语言来说都是一个十分重要的话题；即使像Java这种拥有“复杂”垃圾收集器的语言，也会面临GC带来的各种困扰。
C++程序设计中的很多bug也是因为内存管理不善导致的，而且难以发现和排除；如何有条理地管理内存，对于C++开发尤为重要。
“他山之石可以攻玉”，在研究如何做好C++内存管理之前，我们也可以看下其他语言是怎么做内存管理的，有什么模式或者模型能为我们所借鉴，能够更好地帮助我们理解和做好C++的内存管理。
01
不同语言的内存管理机制介绍
C/C++、Java、Objective-C/Swift 和Golang 是几种使用广泛的语言，内存管理机制也相对典型。
1.1 C/C++
C 也常被称作“可移植的汇编”，诞生之初主要是解决汇编语言的移植问题，在嵌入式和操作系统等相对底层的开发领域应用广泛；对于复杂的业务问题，因为它没有面向对象的能力（不好抽象业务逻辑），显得难以应付。
C++ 是一种很弱的面向对象的语言（模版和Interface几乎是一种相互违背的思想）。为了兼容几乎所有的C特性，背上了比较重的历史包袱。在C++11之后，这种现象有了比较大程度的改善，各种新的语言特性可以让C++开发者开发出更优雅、健壮的代码。
C语言的内存管理是典型的手动管理机制，通过malloc申请，free释放。
C++语言除了手动管理之外，还拥有弱的“垃圾回收机制”（智能指针的支持)。
C/C++中常见的内存管理问题有：
a. 数组访问越界
（Java语言可抛出ArrayIndexOutOfBoundsException）
b. 内存访问超越生命周期
‣ 栈弹出之后，依旧进行访问
（函数返回内部栈地址）
‣ 堆内存释放，依旧进行访问
c. 内存泄露 (没有释放不再使用的内存）
d. 悬空指针导致的问题
‣ 指针指向内存释放之后，指针没有复位（设置为nullptr）
‣ 使用没有复位（不为null）的无效内存（已释放或者未申请的内存）
e. C++独有的问题
‣ 非预期内的拷贝构造函数调用带来的过度复制（性能问题）
‣ 不合理的复制、拷贝构造函数的实现，导致的意外数据共享（没有设置为nocopyable）
1.2 Java
Java 是一种面向对象的现代语言，有着丰富的语言特性和开发生态。Java语言是为了实现下一代智能家电的通用系统而设计的。在借鉴C++语言的基础上，又摒弃了C++
的一些复杂特性（可能降低软件开发质量）。
比如：
a. 不允许多继承
b. 更纯粹的interface
c. 所有皆对象（基础类型除外）
d. non-static方法默认支持多态
e. 等等
不想“有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”。
Java 在家电市场毫无起色，却因为优异的网络编程支持能力、平台无关性、垃圾回收等能力，加上恰逢互联网时代的到来，而后在企业级市场上大放异彩。
Java 因为有虚拟机的支持（先编译成字节码，由虚拟机解释成不同平台的“语言”），可以做到“一次编译，到处运行”。
Java 目前在后台开发、大数据以及App开发领域（Kotlin也是类Java语言）有着非常广泛的应用。
Java 的内存管理依托于JVM的垃圾回收器（Garbage Collections）
一般而言，垃圾回收的步骤包括两步：
a. 找到可被回收的对象；
b. 进行内存回收和整理
JVM(HotSpot)的GC也是如此。
（一）可收回对象判断
JVM GC基于可达分析，来查找可回收对象；可以避免引用计数方案的循环引用问题。
（图1 基于根的可达对象分析）
（二）可回收策略和算法
几乎所有的垃圾回收器，都存在STW问题，高效回收以及降低对业务代码执行的影响是一件很难的事情。为了尽可能地优化性能，GC采用 分代收集 和 标记-清除/标记-清除-整理/标记-复制 进行内存回收。
‣ 分代收集 （新生代和老年代）
不难理解，新申请的内存比较大的概率可以在不久后删除；如果一个内存存在比较久了，那么接下来被回收的概率就会比较低；新生代的回收会比较轻量和高效，老年代的GC相对会比较重。
- G1之前基本都是下图这种典型的分代内存模型。
（图2 典型的内存分代模型）
- 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内存区域不再固定，都是一系列的动态集合。
（图3 G1的内存分代模型）
‣ 标记-清除/标记-清除-整理/标记-复制
- 标记-清除 方法相对简单、高效，但是会存在内存碎片；
- 标记-清除-整理 可以解决内存碎片的问题，但是会增加GC的持续时间（好处大于坏处）；
- 标记-复制 方法类似于ping-pang机制，需要有两片内存区域；在内存清理阶段，会将存活对象统一放到一个区域，而释放另外一个区域；和整理方法一样，也不会产生内存碎片，并且复制和标记可以同时进行，但是需要更多的内存区域。
JVM有多种垃圾收集器可供选择，需要根据业务需求（低延迟or高吞吐）进行权衡，CMS和G1使用相对较多。
a. CMS用于老年代的垃圾回收，追求最短停顿；
b. G1老年代和新生代都可以使用，并且相对高效；
c. Java11 推出的Z Garbage Collector（ZGC）有着不错的性能，目前基本可以投入生产。
（https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/gctuning/z-garbage-collector1.html）
1.3 Objective-C/Swift
Objective-C 是基于C语言发展出的面向对象的开发语言（Objective)；Objective-C的语法相对繁琐、不够便捷，所以苹果在2014推出了Swift，拥有脚本语言般的表现力。
Objective-C 的内存管理基于简单的引用计数，
可以分为两类：
‣ MRR：Manual Retain-Release
（图4 Objective-C MRR机制）
‣ ARC：Automatic Reference Counting
ARC底层还是MRR，只是由编译器在恰当的位置帮我们插入retain和release。是否开启ARC支持和编译器版本以及编译器选项有关。
1.4 Golang
Golang 也是具备垃圾回收的一种语言，主要应用在后端开发领域；回收策略也是基于可达对象分析和标记-清除-整理/复制算法。
和Java的比对，可以参考以下链接：
https://blog.mooncascade.com/go-vs-java-we-chose-go-and-you-should-too/
02
引用模型对对象生命周期的影响
不同的引用类型对对象的生命周期影响不一样，从语义上可分为三类：
‣ 强引用（Strong reference）
- 强引用对象，不可以被回收
- 如果是基于引用计数，引用计数会被影响
‣ 软引用（Soft reference）
- 非必要不回收，比如JVM在OOM之前会尝试对Soft reference对象进行回收
- 如果基于引用计数，会退化为弱引用
‣ 弱引用（Weak reference)
- 不影响对象生命期
- 如果基于引用计数，不会影响引用计数
03
C++的内存管理方案
原则：尽量使用智能指针，不要担心智能指针带来性能损耗。
3.1 手动管理内存
在某些场景下，C++需要手动管理内存；我们可以使用一些技巧来更安全地使用和管理内存。
a. 避免悬空指针
（点击查看大图）
b. 基于Allocator 策略进行内存分配
- 通过Allocator可以改变stl容器的内存分配机制，比如为vector在栈上分配内存；或者使用内存池进行内存管理；
（点击查看大图）
3.2 COM 接口式内存管理
COM （Component Object Model）是微软在1993年提出的一种二进制兼容的方案或者标准，其中的思想还是挺值得插件开发借鉴（非windows平台）。
3.2.1 使用COM接口的优势
（一）COM接口可以解决插件开发领域的两个典型的兼容问题
a. 接口的内存布局结构变化带来的兼容问题
（图5 接口的内存布局变化导致的兼容问题）
b. 不同的编译器、不同系统源码库带来的兼容问题
（图6 内存管理不同版本带来的兼容问题）
（二）COM接口为什么可以解决上述的问题？
a. COM强调面向接口，插件的边界只能是interface，COM接口不允许有任何的数据域
（图7 COM严格以接口为边界）
b. COM接口需要暴露AddRef和Release接口，用来进行闭环（插件申请插件释放）的内存管理
3.2.2 COM接口例子
‣ 场景：
Application需要一个插件来提供读和写的功能
‣ 原则：
所有的接口都要继承 IUnknown ，发布的interface都需要有唯一ID
‣ DEMO：
a. com.h
（点击查看大图）
b. interface.h 插件对外发布的接口
（点击查看大图）
c. export_api.h 是插件的唯一接口暴露点
（点击查看大图）
d. interface_impl.cpp 插件的功能实现，可以使用继承，也可以使用聚合的方法
（点击查看大图）
e. 插件的使用
（点击查看大图）
‣ Output：
（点击查看大图）
3.3 C++ 智能指针
C++11的很多特性都是先从boost引入技术报告（TR），然后进入到C++标准，智能指针就是如此。
（图8 C++标准演进）
不同类型智能指针的比较：
（点击查看大图）
3.3.1 shared_ptr
shared_ptr是使用最广泛的智能指针，可以进行所有权共享；当没有任何人持有，引用计数为0的时候内存自动释放。
智能指针内部有两个重要的块：
a. 数据块 指向内存地址的指针
b. 控制块 存放引用计数等信息
（图9 shared_ptr原理）
3.3.2 weak_ptr
weak_ptr是shared_ptr的伴生品，weak_ptr没有独立存在意义。
（图10 weak_ptr和shared_ptr的关系）
weak_ptr 可以解决share_ptr在两个场景下的问题：
a. shared_ptr的循环引用，会造成内存泄露
b. 观察者模式 被观察对象subject不应该影响observer的生命周期
（点击查看大图）
Output：
（点击查看大图）
3.3.3 unique_ptr
unique_ptr 指向对象的所有权独享，在出作用域unique_ptr析构时释放内存（和boost::scoped_ptr类似）。
如果要转移所有权，需要使用std::move。（类似的有std::thread，所有权独占）
（图11 unique_ptr的所有权转移）
3.3.4 intrusive_ptr
侵入式（智能）指针，和share_ptr用起来很像。intrusive_ptr提供了自定义引用计数的能力，适合用来管理第三方接口。比如用intrusive_ptr来管理COM接口。
只需要实现 IUnknown 类型的 intrusive_ptr_add_ref 和 intrusive_ptr_release 方法，就可以像share_ptr一样来使用COM接口了。
（点击查看大图）
Output：
（点击查看大图）
3.3.5 utilities
a. 使用make_shared/make_unique构造智能指针，减少构造性能损耗；（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
可以看作为控制块的比较，看受智能指针影响生命期的对象是不是一个；
‣ value-based order
可以看作数据块的比较，比较内存地址
（点击查看大图）
Output：
（点击查看大图）
c. shared_from_this
‣ 使用场景：
一个被智能指针管理的对象（class A的对象），在对象的内部，又要调用一个使用std::shared_ptr的函数。
‣ 网络场景示例：
connection表示一个链接，连接成功之后，在 run 函数内部调用 async_run ，实现异步读操作；这个时候需要把自己的智能指针传递进去，从而进行生命期的托管。
（点击查看大图）
模拟一个网络连接产生
（点击查看大图）
测试
（点击查看大图）
即使马上将connection变量释放，出了作用域之后，我们仍然可以进行read操作。
- 例子使用的Thread pool
（点击查看大图）
std::enable_shared_from_this本质上是一个语法糖，在基类中使用weak_ptr来帮我们避免了循环引用（自己引用自己）。
（点击查看大图）
谢谢观看！
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