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【重學C++】01| C++ 如何進行記憶體資源管理？
前言
大家好，我是只講技術干貨的會玩code，今天是【重學C++】的第一講，我們來學習下C++的記憶體管理，
與java、golang等自帶垃圾回識訓制的語言不同，C++并不會自動回收記憶體，我們必須手動管理堆上記憶體分配和釋放，這往往會導致記憶體泄漏和記憶體溢位等問題，而且，這些問題可能不會立即出現，而是運行一段時間后，才會暴露出現，排查也很困難，因此，了解和掌握C++中的記憶體管理技巧和工具是非常重要的，可以提高程式性能、減少錯誤和增加安全性，
記憶體磁區
在C++中，將作業系統分配給程式的記憶體空間按照用途劃分了代碼段、資料段、堆疊、堆幾個不同的區域，每個區域都有其獨特的記憶體管理機制，
代碼區
代碼區是用于存盤程式代碼的區域，代碼段在程式真正執行前就被加載到記憶體中，在程式執行期間，代碼區記憶體不會被修改和釋放，
由于代碼區是只讀的，所以會被多個行程共享，在多個行程同時執行同一個程式時，作業系統只需要將代碼段加載到記憶體中一次，然后讓多個行程共享這個記憶體區域即可，
資料段
資料段用于存盤靜態全域變數、靜態區域變數和靜態常量等靜態資料，在程式運行期間，資料段的大小固定不變，但其內容可以被修改，按照變數是否被初始化，資料段可分為已初始化資料段和未初始化資料段，
堆疊
C++中函式呼叫以及函式內的區域變數的使用，都是通過堆疊這個記憶體磁區實作的，堆疊磁區由作業系統自動分配和釋放，是一種"后進先出"的一種記憶體磁區，每個堆疊的大小是固定的，一般只有幾MB，所以如果堆疊變數太大，或者函式呼叫嵌套太深，容易發生堆疊溢位（stack overflow），
先來一段示例代碼，看看C++是如何使用堆疊進行使用堆疊來進行函式呼叫的，
#include <iostream>
void inner(int a) {
std::cout << a << std::endl;
}
void outer(int n) {
int a = n + 1;
inner(a);
}
int main() {
outer(4);
}
上面這段代碼運行程序中的堆疊變化如下圖
每當程式呼叫一個函式時，該函式的引數、區域變數和回傳地址等資訊會被壓入堆疊中，當函式執行完畢，再將這些資訊從堆疊中彈出，根據之前壓入的外層呼叫者壓入堆疊的回傳地址，回傳到外層呼叫者未執行的代碼繼續執行，
本地變數是直接存盤在堆疊上的，當函式執行完成后，這些變數占用的記憶體就會被釋放掉了，前面例子中的本地變數是簡單型別，在C++中稱為POD型別，對于帶有構造和解構式的非POD型別變數，堆疊上的記憶體分配同樣有效，編譯器會在合適的時機，插入對建構式和解構式的呼叫，
這里有個問題，當函式執行發生例外時，解構式還會被呼叫嗎？
答案是會的，C++對于發生例外時對解構式的呼叫稱為"堆疊展開"，通過下面這段代碼演示堆疊展開，
#include <iostream>
#include <string>
class Obj {
public:
std::string name_;
Obj(const std::string& name):name_(name){std::cout << "Obj() " << name_ << std::endl;};
~Obj() {std::cout << "~Obj() " << name_ << std::endl;};
};
void bar() {
auto o = Obj{"bar"};
throw "bar exception";
}
int main() {
try {
bar();
} catch (const char* e) {
std::cout << "catch Exception: " << e << std::endl;
}
}
執行代碼的結果是:
Obj() bar
~Obj() bar
catch Exception: bar exception
可以發現，發生例外時，bar函式中的本地變數o還是能被正常析構，
堆疊展開的程序實際上是例外發生時，匹配catch子句的程序，
- 程式拋出例外，停止當前執行的呼叫鏈，開始尋找與例外匹配的catch子句，
- 如果例外發生在try中，則會首先檢查與該try塊匹配的catch子句，如果例外所在函式體沒有try捕獲例外，則會直接進入下一步，
- 如果第二步未找到匹配的catch，則會在外層的try塊中查找，直到找到為止，
- 如果到了最外層還沒有找到匹配的catch，也就是說例外得不到處理，程式會呼叫標準庫函式terminate終止函式的執行，
在這期間，堆疊上所有的物件都會被自動析構，
堆
堆是C++中用來存盤動態分配記憶體的記憶體磁區，堆記憶體的分配和釋放需要手動管理，可以通過new/delete或malloc/free等函式進行分配和釋放，堆記憶體的大小通常是不固定的，當我們需要動態分配記憶體時，就可以使用堆記憶體，
堆記憶體由程式員手動分配和釋放，因此使用堆記憶體需要注意記憶體泄漏和記憶體溢位等問題，當程式員忘記釋放已分配的記憶體時，會導致記憶體泄漏問題，而當申請的堆記憶體超過了作業系統所分配給行程的記憶體限制時，會導致記憶體溢位問題，
C++程式絕大多數的記憶體泄露，都是由于忘記呼叫delete/free來釋放堆上的資源，
還是上代碼
#include <iostream>
#include <string>
class Obj {
public:
std::string name_;
Obj(const std::string& name):name_(name){std::cout << "Obj() " << name_ << std::endl;};
~Obj() {std::cout << "~Obj() " << name_ << std::endl;};
};
Obj* makeObj() {
Obj* obj = nullptr;
try {
obj = new Obj{"makeObj"};
...
} catch(...) {
delete obj;
throw;
}
return obj;
}
Obj* foo() {
Obj* obj = nullptr;
try {
obj = makeObj();
...
} catch(...) {
delete obj;
}
return obj;
}
int main() {
Obj* obj = foo();
...
delete obj;
}
可以看到，由makeObj函式創建的堆變數obj, 在每個獲取該變數的上層呼叫中，都需要關心對該變數的處理，這無疑極大得增加了開發者的心智負擔，
RAII
想在堆上創建物件，又不想處理這么復雜的記憶體釋放操作，C++沒有像java、golang其他語言創建一套垃圾回識訓制，而是采用了一種特有的資源管理方式 --- RAII（Resource Acquisition Is Initialization，資源獲取即初始化），
RAII利用堆疊物件在作用域結束后會自動呼叫解構式的特點，通過創建堆疊物件來管理資源，在堆疊物件建構式中獲取資源，在堆疊物件解構式中負責釋放資源，以此保證資源的獲取和釋放，
下面給出一個通過RAII來自動釋放堆記憶體的例子
#include <iostream>
class AutoIntPtr {
public:
AutoIntPtr(int* p = nullptr) : ptr(p) {}
~AutoIntPtr() { delete ptr; }
int& operator*() const { return *ptr; }
int* operator->() const { return ptr; }
private:
int* ptr;
};
void foo() {
AutoIntPtr p(new int(5));
std::cout << *p << std::endl; // 5
}
int main() {
foo();
}
上面例子中，AutoIntPtr類封裝了一個動態分配的int型別的指標，它的建構式用于獲取資源(ptr = p)，解構式用于釋放資源(delete ptr)，當AutoIntPtr超出作用域時，自動呼叫解構式來釋放所包含的資源，
基于RAII，C++11引入了std::unique_ptr和std::shared_ptr等智能指標用于記憶體管理類，使得記憶體管理變得更加方便和安全，這些記憶體管理類可以自動進行記憶體釋放，避免了手動釋放記憶體的繁瑣作業，值得一提的是，上面的AutoIntPtr就是一個簡化版的智能指標了，
在實際開發中，RAII的應用很廣，不僅僅用于自動釋放記憶體，還可以用來關閉檔案、釋放資料庫連接、釋放同步鎖等，
總結
本文介紹了C++中的記憶體管理機制，包括記憶體磁區、堆疊、堆和RAII技術等內容，通過學習本文，我們可以更好地掌握C++的記憶體管理技巧，避免記憶體泄漏和記憶體溢位等問題，
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