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文章概述
内存治理对于每种开发语言来说都是一个非常重要的话题；即便像 Java 这种领有“简单”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 也是因为内存治理不善导致的，而且难以发现和排除；如何有条理地治理内存，对于 C ++ 开发尤为重要。
“他山之石可以攻玉”，在钻研如何做好 C ++ 内存治理之前，咱们也能够看下其余语言是怎么做内存治理的，有什么模式或者模型能为咱们所借鉴，可能更好地帮忙咱们了解和做好 C ++ 的内存治理。
01 不同语言的内存管理机制介绍
C/C++、Java、Objective-C/Swift 和 Golang 是几种应用宽泛的语言，内存管理机制也绝对典型。
1.1 C/C++
C 也常被称作“可移植的汇编”，诞生之初次要是解决汇编语言的移植问题，在嵌入式和操作系统等绝对底层的开发畛域利用宽泛；对于简单的业务问题，因为它没有面向对象的能力（不好形象业务逻辑），显得难以应酬。
C++ 是一种很弱的面向对象的语言（模版和 Interface 简直是一种互相违反的思维）。为了兼容简直所有的 C 个性，背上了比拟重的历史包袱。在 C ++11 之后，这种景象有了比拟大程度的改善，各种新的语言个性能够让 C ++ 开发者开发出更优雅、强壮的代码。
C 语言的内存治理是典型的手动管理机制，通过 malloc 申请，free 开释。
C++ 语言除了手动治理之外，还领有弱的“垃圾回收机制”（智能指针的反对)。
C/C++ 中常见的内存治理问题有：
a. 数组拜访越界（Java 语言可抛出 ArrayIndexOutOfBoundsException）
b. 内存拜访超过生命周期‣ 栈弹出之后，仍旧进行拜访（函数返回外部栈地址）‣ 堆内存开释，仍旧进行拜访
c. 内存泄露 (没有开释不再应用的内存）
d. 悬空指针导致的问题‣ 指针指向内存开释之后，指针没有复位（设置为 nullptr）‣ 应用没有复位（不为 null）的有效内存（已开释或者未申请的内存）
e. C++ 独有的问题‣ 非预期内的拷贝结构函数调用带来的适度复制（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 是一种面向对象的古代语言，有着丰盛的语言个性和开发生态。Java 语言是为了实现下一代智能家电的通用零碎而设计的。在借鉴 C ++ 语言的根底上，又摒弃了 C ++ 的一些简单个性（可能升高软件开发品质）。
比方：
a. 不容许多继承
b. 更纯正的 interface
c. 所有皆对象（根底类型除外）
d. non-static 办法默认反对多态
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反对能力、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 因为有虚拟机的反对（先编译成字节码，由虚拟机解释成不同平台的“语言”），能够做到“一次编译，到处运行”。
Java 目前在后盾开发、大数据以及 App 开发畛域（Kotlin 也是类 Java 语言）有着十分宽泛的利用。
Java 的内存治理依靠于 JVM 的垃圾回收器（Garbage Collections）一般而言，垃圾回收的步骤包含两步：
a. 找到可被回收的对象；
b. 进行内存回收和整顿
JVM(HotSpot) 的 GC 也是如此。
（一）可收回对象判断 JVM GC 基于可达剖析，来查找可回收对象；能够防止援用计数计划的循环援用问题。
（图 1 基于根的可达对象剖析）
（二）可回收策略和算法简直所有的垃圾回收器，都存在 STW 问题，高效回收以及升高对业务代码执行的影响是一件很难的事件。为了尽可能地优化性能，GC 采纳 分代收集 和 标记 - 革除 / 标记 - 革除 - 整顿 / 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，新申请的内存比拟大的概率能够在不久后删除；如果一个内存存在比拟久了，那么接下来被回收的概率就会比拟低；新生代的回收会比拟轻量和高效，老年代的 GC 绝对会比拟重。
G1 之前根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 依然保留了新生代和老年代的概念，然而新生代和老年代的内存区域不再固定，都是一系列的动静汇合。
（图 3 G1 的内存分代模型）
‣ 标记 - 革除 / 标记 - 革除 - 整顿 / 标记 - 复制
标记 - 革除 办法绝对简略、高效，然而会存在内存碎片；
标记 - 革除 - 整顿 能够解决内存碎片的问题，然而会减少 GC 的持续时间（益处大于害处）；
标记 - 复制 办法相似于 ping-pang 机制，须要有两片内存区域；在内存清理阶段，会将存活对象对立放到一个区域，而开释另外一个区域；和整顿办法一样，也不会产生内存碎片，并且复制和标记能够同时进行，然而须要更多的内存区域。
JVM 有多种垃圾收集器可供选择，须要依据业务需要（低提早 or 高吞吐）进行衡量，CMS 和 G1 应用绝对较多。
a. CMS 用于老年代的垃圾回收，谋求最短进展；
b. G1 老年代和新生代都能够应用，并且绝对高效；
c. Java11 推出的 Z Garbage Collector（ZGC）有着不错的性能，目前根本能够投入生产。（https://docs.oracle.com/en/ja…）
1.3 Objective-C/Swift
Objective-C 是基于 C 语言倒退出的面向对象的开发语言（Objective)；Objective- C 的语法绝对繁琐、不够便捷，所以苹果在 2014 推出了 Swift，领有脚本语言般的表现力。
Objective-C 的内存治理基于简略的援用计数，能够分为两类：
‣ MRR：Manual Retain-Release
（图 4 Objective-C MRR 机制）
‣ ARC：Automatic Reference CountingARC 底层还是 MRR，只是由编译器在失当的地位帮咱们插入 retain 和 release。是否开启 ARC 反对和编译器版本以及编译器选项无关。
1.4 Golang
Golang 也是具备垃圾回收的一种语言，次要利用在后端开发畛域；回收策略也是基于可达对象剖析和标记 - 革除 - 整顿 / 复制算法。
和 Java 的比对，能够参考以下链接：
https://blog.mooncascade.com/…
02 援用模型对对象生命周期的影响
不同的援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：
‣ 强援用（Strong reference）
强援用对象，不能够被回收
如果是基于援用计数，援用计数会被影响
‣ 软援用（Soft reference）
非必要不回收，比方 JVM 在 OOM 之前会尝试对 Soft reference 对象进行回收 - 如果基于援用计数，会进化为弱援用
‣ 弱援用（Weak reference)
不影响对象生命期 - 如果基于援用计数，不会影响援用计数
03C++ 的内存治理计划
准则：尽量应用智能指针，不要放心智能指针带来性能损耗。
3.1 手动治理内存在某些场景下，C++ 须要手动治理内存；咱们能够应用一些技巧来更平安地应用和治理内存。
a. 防止悬空指针
（点击查看大图）
b. 基于 Allocator 策略进行内存调配
通过 Allocator 能够扭转 stl 容器的内存分配机制，比方为 vector 在栈上分配内存；或者应用内存池进行内存治理；
（点击查看大图）
3.2 COM 接口式内存治理
COM（Component Object Model）是微软在 1993 年提出的一种二进制兼容的计划或者规范，其中的思维还是挺值得插件开发借鉴（非 windows 平台）。
3.2.1 应用 COM 接口的劣势
（一）COM 接口能够解决插件开发畛域的两个典型的兼容问题
a. 接口的内存布局构造变动带来的兼容问题
（图 5 接口的内存布局变动导致的兼容问题）
b. 不同的编译器、不同零碎源码库带来的兼容问题
（图 6 内存治理不同版本带来的兼容问题）
（二）COM 接口为什么能够解决上述的问题？
a. COM 强调面向接口，插件的边界只能是 interface，COM 接口不容许有任何的数据域
（图 7 COM 严格以接口为边界）
b. COM 接口须要裸露 AddRef 和 Release 接口，用来进行闭环（插件申请插件开释）的内存治理
3.2.2 COM 接口例子
‣ 场景：Application 须要一个插件来提供读和写的性能
‣ 准则：所有的接口都要继承 IUnknown，公布的 interface 都须要有惟一 ID
‣ DEMO：
a. com.h
（点击查看大图）
b. interface.h 插件对外公布的接口
（点击查看大图）
c. export_api.h 是插件的惟一接口裸露点
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d. interface_impl.cpp 插件的性能实现，能够应用继承，也能够应用聚合的办法
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e. 插件的应用
（点击查看大图）
‣ Output：
（点击查看大图）
3.3 C++ 智能指针
C++11 的很多个性都是先从 boost 引入技术报告（TR），而后进入到 C ++ 规范，智能指针就是如此。
（图 8 C++ 规范演进）
不同类型智能指针的比拟：
（点击查看大图）
3.3.1 shared_ptrshared_ptr 是应用最宽泛的智能指针，能够进行所有权共享；当没有任何人持有，援用计数为 0 的时候内存主动开释。智能指针外部有两个重要的块：
a. 数据块 指向内存地址的指针
b. 管制块 寄存援用计数等信息
（图 9 shared_ptr 原理）
3.3.2 weak_ptrweak_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 能够解决 share_ptr 在两个场景下的问题：
a. shared_ptr 的循环援用，会造成内存泄露
b. 观察者模式 被察看对象 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 析构时开释内存（和 boost::scoped_ptr 相似）。
如果要转移所有权，须要应用 std::move。（相似的有 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 提供了自定义援用计数的能力，适宜用来治理第三方接口。
比方用 intrusive_ptr 来治理 COM 接口。只须要实现 IUnknown 类型的 intrusive_ptr_add_ref 和 intrusive_ptr_release 办法，就能够像 share_ptr 一样来应用 COM 接口了。
（点击查看大图）
Output：
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3.3.5 utilities
a. 应用 make_shared/make_unique 结构智能指针，缩小结构性能损耗；（https://en.cppreference.com/w…）b. owner-based (as opposed to value-based) order（https://en.cppreference.com/w…）‣ owner-based order
能够看作为管制块的比拟，看受智能指针影响生命期的对象是不是一个；
‣ value-based order
能够看作数据块的比拟，比拟内存地址
（点击查看大图）
Output：
（点击查看大图）
c. shared_from_this
‣ 应用场景：一个被智能指针治理的对象（class A 的对象），在对象的外部，又要调用一个应用 std::shared_ptr 的函数。
‣ 网络场景示例：connection 示意一个链接，连贯胜利之后，在 run 函数外部调用 async_run，实现异步读操作；这个时候须要把本人的智能指针传递进去，从而进行生命期的托管。
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模仿一个网络连接产生
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测试
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即便马上将 connection 变量开释，出了作用域之后，咱们依然能够进行 read 操作。
例子应用的 Thread pool
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std::enable_shared_from_this 实质上是一个语法糖，在基类中应用 weak_ptr 来帮咱们防止了循环援用（本人援用本人）。
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