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

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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；

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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

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b. interface.h 插件对外公布的接口

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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

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‣ Output：

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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：

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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

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Output：

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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。

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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

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Output：

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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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谢谢观看！