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# 01 | 堆、栈、RAII：C++里该如何管理资源？
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你好，我是吴咏炜。
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今天我们就正式开启了C++的学习之旅，作为第一讲，我想先带你把地基打牢。我们来学习一下内存管理的基本概念，大致的学习路径是：先讲堆和栈，然后讨论 C++ 的特色功能 RAII。掌握这些概念，是能够熟练运用 C++ 的基础。
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## 基本概念
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**堆**，英文是 heap，在内存管理的语境下，指的是动态分配内存的区域。这个堆跟数据结构里的堆不是一回事。这里的内存，被分配之后需要手工释放，否则，就会造成内存泄漏。
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C++ 标准里一个相关概念是自由存储区，英文是 free store，特指使用 `new` 和 `delete` 来分配和释放内存的区域。一般而言，这是堆的一个子集：
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* `new` 和 `delete` 操作的区域是 free store
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* `malloc` 和 `free` 操作的区域是 heap
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但 `new` 和 `delete` 通常底层使用 `malloc` 和 `free` 来实现，所以 free store 也是 heap。鉴于对其区分的实际意义并不大，在本专栏里，除非另有特殊说明，我会只使用堆这一术语。
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**栈**，英文是 stack，在内存管理的语境下，指的是函数调用过程中产生的本地变量和调用数据的区域。这个栈和数据结构里的栈高度相似，都满足“后进先出”（last-in-first-out 或 LIFO）。
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**RAII**，完整的英文是 Resource Acquisition Is Initialization，是 C++ 所特有的资源管理方式。有少量其他语言，如 D、Ada 和 Rust 也采纳了 RAII，但主流的编程语言中， C++ 是唯一一个依赖 RAII 来做资源管理的。
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RAII 依托栈和析构函数，来对所有的资源——包括堆内存在内——进行管理。对 RAII 的使用，使得 C++ 不需要类似于 Java 那样的垃圾收集方法，也能有效地对内存进行管理。RAII 的存在，也是垃圾收集虽然理论上可以在 C++ 使用，但从来没有真正流行过的主要原因。
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接下来，我将会对堆、栈和 RAII 进行深入的探讨。
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## 堆
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从现代编程的角度来看，使用堆，或者说使用动态内存分配，是一件再自然不过的事情了。下面这样的代码，都会导致在堆上分配内存（并构造对象）。
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```c++
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// C++
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auto ptr = new std::vector<int>();
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```
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```java
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// Java
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ArrayList<int> list = new ArrayList<int>();
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```
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```python
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# Python
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lst = list()
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```
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从历史的角度，动态内存分配实际上是较晚出现的。由于动态内存带来的不确定性——内存分配耗时需要多久？失败了怎么办？等等——至今仍有很多场合会禁用动态内存，尤其在实时性要求比较高的场合，如飞行控制器和电信设备。不过，由于大家多半对这种用法比较熟悉，特别是从 C 和 C++ 以外的其他语言开始学习编程的程序员，所以提到内存管理，我们还是先讨论一下使用堆的编程方式。
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在堆上分配内存，有些语言可能使用 `new` 这样的关键字，有些语言则是在对象的构造时隐式分配，不需要特殊关键字。不管哪种情况，程序通常需要牵涉到三个可能的内存管理器的操作：
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1. 让内存管理器分配一个某个大小的内存块
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2. 让内存管理器释放一个之前分配的内存块
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3. 让内存管理器进行垃圾收集操作，寻找不再使用的内存块并予以释放
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C++ 通常会做上面的操作 1 和 2。Java 会做上面的操作 1 和 3。而 Python 会做上面的操作 1、2、3。这是语言的特性和实现方式决定的。
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**需要略加说明的是，上面的三个操作都不简单，并且彼此之间是相关的。**
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第一，分配内存要考虑程序当前已经有多少未分配的内存。内存不足时要从操作系统申请新的内存。内存充足时，要从可用的内存里取出一块合适大小的内存，做簿记工作将其标记为已用，然后将其返回给要求内存的代码。
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需要注意到，绝大部分情况下，可用内存都会比要求分配的内存大，所以代码只被允许使用其被分配的内存区域，而剩余的内存区域仍属于未分配状态，可以在后面的分配过程中使用。另外，如果内存管理器支持垃圾收集的话，分配内存的操作还可能会触发垃圾收集。
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第二，释放内存不只是简单地把内存标记为未使用。对于连续未使用的内存块，通常内存管理器需要将其合并成一块，以便可以满足后续的较大内存分配要求。毕竟，目前的编程模式都要求申请的内存块是连续的。
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第三，垃圾收集操作有很多不同的策略和实现方式，以实现性能、实时性、额外开销等各方面的平衡。由于 C++ 里通常都不使用垃圾收集，所以就不是我们专栏的重点，不再展开讲解。
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下面这张图展示了一个简单的分配过程：
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注意在图 1e 的状态下，内存管理器是满足不了长度大于 4 的内存分配要求的；而在图 1f 的状态，则长度小于等于 7 的单个内存要求都可以得到满足。
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当然，这只是一个简单的示意，只是为了让你能够对这个过程有一个大概的感性认识。在不考虑垃圾收集的情况下，内存需要手工释放；在此过程中，内存可能有碎片化的情况。比如，在图 1d 的情况下，虽然总共剩余内存为 6，但却满足不了长度大于 4 的内存分配要求。
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幸运的是，大部分软件开发人员都不需要担心这个问题。内存分配和释放的管理，是内存管理器的任务，一般情况下我们不需要介入。我们只需要正确地使用 `new` 和 `delete`。每个 `new` 出来的对象都应该用 `delete` 来释放，就是这么简单。
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但真的很简单、可以高枕无忧了吗？
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事实说明，漏掉 `delete` 是一种常见的情况，这叫“内存泄漏”——相信你一定听到过这个说法。为什么呢？
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我们还是看一些代码例子。
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```c++
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void foo()
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{
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bar* ptr = new bar();
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…
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delete ptr;
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}
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```
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这个很简单吧，但是却存在两个问题：
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1. 中间省略的代码部分也许会抛出异常，导致最后的 `delete ptr` 得不到执行。
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2. 更重要的，这个代码不符合 C++ 的惯用法。在 C++ 里，这种情况下有 99% 的可能性不应该使用堆内存分配，而应使用栈内存分配。这样写代码的，估计可能是从 Java 转过来的🤭——但我真见过这样的代码。
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而更常见、也更合理的情况，是分配和释放不在一个函数里。比如下面这段示例代码：
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```c++
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bar* make_bar(…)
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{
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bar* ptr = nullptr;
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try {
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ptr = new bar();
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…
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}
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catch (...) {
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delete ptr;
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throw;
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}
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return ptr;
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}
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void foo()
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{
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…
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bar* ptr = make_bar(…)
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…
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delete ptr;
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}
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```
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这样的话，会漏 `delete` 的可能性是不是大多了？有关这个问题的解决方法，我们在下一讲还会提到。
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好，堆我们暂时就讨论到这儿。下面，我们看看更符合 C++ 特性的栈内存分配。
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## 栈
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我们先来看一段示例代码，来说明 C++ 里函数调用、本地变量是如何使用栈的。当然，这一过程取决于计算机的实际架构，具体细节可能有所不同，但原理上都是相通的，都会使用一个后进先出的结构。
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```c++
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void foo(int n)
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{
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…
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}
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void bar(int n)
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{
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int a = n + 1;
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foo(a);
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}
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int main()
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{
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…
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bar(42);
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…
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}
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```
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这段代码执行过程中的栈变化，我画了下面这张图来表示：
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在我们的示例中，栈是向上增长的。在包括 x86 在内的大部分计算机体系架构中，栈的增长方向是低地址，因而上方意味着低地址。任何一个函数，根据架构的约定，只能使用进入函数时栈指针向上部分的栈空间。当函数调用另外一个函数时，会把参数也压入栈里（我们此处忽略使用寄存器传递参数的情况），然后把下一行汇编指令的地址压入栈，并跳转到新的函数。新的函数进入后，首先做一些必须的保存工作，然后会调整栈指针，**分配出本地变量所需的空间**，随后执行函数中的代码，并在执行完毕之后，根据调用者压入栈的地址，返回到调用者未执行的代码中继续执行。
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注意到了没有，本地变量所需的内存就在栈上，跟函数执行所需的其他数据在一起。当函数执行完成之后，这些内存也就自然而然释放掉了。我们可以看到：
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* 栈上的分配极为简单，移动一下栈指针而已。
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* 栈上的释放也极为简单，函数执行结束时移动一下栈指针即可。
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* 由于后进先出的执行过程，不可能出现内存碎片。
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顺便说一句，图 2 中每种颜色都表示某个函数占用的栈空间。这部分空间有个特定的术语，叫做栈帧（stack frame）。GCC 和 Clang 的命令行参数中提到 frame 的，如 `-fomit-frame-pointer`，一般就是指栈帧。
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前面例子的本地变量是简单类型，C++ 里称之为 POD 类型（Plain Old Data）。对于有构造和析构函数的非 POD 类型，栈上的内存分配也同样有效，只不过 C++ 编译器会在生成代码的合适位置，插入对构造和析构函数的调用。
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这里尤其重要的是：编译器会自动调用析构函数，包括在函数执行发生异常的情况。在发生异常时对析构函数的调用，还有一个专门的术语，叫栈展开（stack unwinding）。事实上，如果你用 MSVC 编译含异常的 C++ 代码，但没有使用上一讲说过的 `/EHsc` 参数，编译器就会报告：
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> warning C4530: C++ exception handler used, but unwind semantics are not enabled. Specify /EHsc
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下面是一段简短的代码，可以演示栈展开：
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```c++
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#include <stdio.h>
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class Obj {
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public:
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Obj() { puts("Obj()"); }
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~Obj() { puts("~Obj()"); }
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};
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void foo(int n)
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{
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Obj obj;
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if (n == 42)
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throw "life, the universe and everything";
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}
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int main()
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{
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try {
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|||
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foo(41);
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foo(42);
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}
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catch (const char* s) {
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puts(s);
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}
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}
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```
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执行代码的结果是：
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> `Obj()`
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> `~Obj()`
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> `Obj()`
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> `~Obj()`
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> `life, the universe and everything`
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也就是说，不管是否发生了异常，`obj` 的析构函数都会得到执行。
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在 C++ 里，所有的变量缺省都是值语义——如果不使用 `*` 和 `&` 的话，变量不会像 Java 或 Python 一样引用一个堆上的对象。对于像智能指针这样的类型，你写 `ptr->call()` 和 `ptr.get()`，语法上都是对的，并且 `->` 和 `.` 有着不同的语法作用。而在大部分其他语言里，访问成员只用 `.`，但在作用上实际等价于 C++ 的 `->`。这种值语义和引用语义的区别，是 C++ 的特点，也是它的复杂性的一个来源。要用好 C++，就需要理解它的值语义的特点。
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对堆和栈有了基本了解之后，我们继续往下，聊一聊 C++ 的重要特性 RAII。
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## RAII
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C++ 支持将对象存储在栈上面。但是，在很多情况下，对象不能，或不应该，存储在栈上。比如：
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* 对象很大；
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* 对象的大小在编译时不能确定；
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* 对象是函数的返回值，但由于特殊的原因，不应使用对象的值返回。
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常见情况之一是，在工厂方法或其他面向对象编程的情况下，返回值类型是基类（的指针或引用）。下面的例子，是对工厂方法的简单演示：
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```c++
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enum class shape_type {
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circle,
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triangle,
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rectangle,
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|
…
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};
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class shape { … };
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class circle : public shape { … };
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class triangle : public shape { … };
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class rectangle : public shape { … };
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shape* create_shape(shape_type type)
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|
{
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|
…
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switch (type) {
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case shape_type::circle:
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return new circle(…);
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case shape_type::triangle:
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return new triangle(…);
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|
case shape_type::rectangle:
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|
|
return new rectangle(…);
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|
|
…
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|||
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|
}
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|
}
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```
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这个 `create_shape` 方法会返回一个 `shape` 对象，对象的实际类型是某个 `shape` 的子类，圆啊，三角形啊，矩形啊，等等。这种情况下，函数的返回值只能是指针或其变体形式。如果返回类型是 `shape`，实际却返回一个 `circle`，编译器不会报错，但结果多半是错的。这种现象叫对象切片（object slicing），是 C++ 特有的一种编码错误。这种错误不是语法错误，而是一个对象复制相关的语义错误，也算是 C++ 的一个陷阱了，大家需要小心这个问题。
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那么，我们怎样才能确保，在使用 `create_shape` 的返回值时不会发生内存泄漏呢？
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答案就在析构函数和它的栈展开行为上。我们只需要把这个返回值放到一个本地变量里，并确保其析构函数会删除该对象即可。一个简单的实现如下所示：
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```c++
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class shape_wrapper {
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public:
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explicit shape_wrapper(
|
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shape* ptr = nullptr)
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: ptr_(ptr) {}
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~shape_wrapper()
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{
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delete ptr_;
|
|||
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|
}
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|
shape* get() const { return ptr_; }
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private:
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|||
|
|
shape* ptr_;
|
|||
|
|
};
|
|||
|
|
|
|||
|
|
void foo()
|
|||
|
|
{
|
|||
|
|
…
|
|||
|
|
shape_wrapper ptr_wrapper(
|
|||
|
|
create_shape(…));
|
|||
|
|
…
|
|||
|
|
}
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|
```
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如果你好奇 `delete` 空指针会发生什么的话，那答案是，这是一个合法的空操作。在 `new` 一个对象和 `delete` 一个指针时编译器需要干不少活的，它们大致可以如下翻译：
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```c++
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// new circle(…)
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{
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void* temp = operator new(sizeof(circle));
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try {
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|||
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circle* ptr =
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static_cast<circle*>(temp);
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|
ptr->circle(…);
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|||
|
|
return ptr;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
catch (...) {
|
|||
|
|
operator delete(ptr);
|
|||
|
|
throw;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```
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|
|
|
|||
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|
```c++
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|
|
if (ptr != nullptr) {
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|
|
ptr->~shape();
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|
|
operator delete(ptr);
|
|||
|
|
}
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```
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也就是说，`new` 的时候先分配内存（失败时整个操作失败并向外抛出异常，通常是 `bad_alloc`），然后在这个结果指针上构造对象（注意上面示意中的调用构造函数并不是合法的 C++ 代码）；构造成功则 `new` 操作整体完成，否则释放刚分配的内存并继续向外抛构造函数产生的异常。`delete` 时则判断指针是否为空，在指针不为空时调用析构函数并释放之前分配的内存。
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回到 `shape_wrapper` 和它的析构行为。在析构函数里做必要的清理工作，这就是 RAII 的基本用法。这种清理并不限于释放内存，也可以是：
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* 关闭文件（`fstream` 的析构就会这么做）
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* 释放同步锁
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* 释放其他重要的系统资源
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例如，我们应该使用：
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```c++
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std::mutex mtx;
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void some_func()
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{
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std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
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// 做需要同步的工作
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}
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```
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而不是：
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```c++
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std::mutex mtx;
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void some_func()
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{
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mtx.lock();
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// 做需要同步的工作……
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// 如果发生异常或提前返回，
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// 下面这句不会自动执行。
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mtx.unlock();
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}
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```
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顺便说一句，上面的 `shape_wrapper` 差不多就是个最简单的智能指针了。至于完整的智能指针，我们留到下一讲继续学习。
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## 内容小结
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本讲我们讨论了 C++ 里内存管理的一些基本概念，强调栈是 C++ 里最“自然”的内存使用方式，并且，使用基于栈和析构函数的 RAII，可以有效地对包括堆内存在内的系统资源进行统一管理。
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## 课后思考
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最后留给你一道思考题。`shape_wrapper` 和智能指针比起来，还缺了哪些功能？欢迎留言和我分享你的观点。
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## 参考资料
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\[1\] Wikipedia, “Memory management”. [https://en.wikipedia.org/wiki/Memory\_management](https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_management)
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\[2\] Wikipedia, “Stack-based memory allocation”. [https://en.wikipedia.org/wiki/Stack-based\_memory\_allocation](https://en.wikipedia.org/wiki/Stack-based_memory_allocation)
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\[3\] Wikipedia, “Resource acquisition is initialization”. [https://en.wikipedia.org/wiki/RAII](https://en.wikipedia.org/wiki/RAII)
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\[3a\] 维基百科, “RAII”. [https://zh.wikipedia.org/zh-cn/RAII](https://zh.wikipedia.org/zh-cn/RAII)
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\[4\] Wikipedia, “Call stack”. [https://en.wikipedia.org/wiki/Call\_stack](https://en.wikipedia.org/wiki/Call_stack)
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\[5\] Wikipedia, “Object slicing”. [https://en.wikipedia.org/wiki/Object\_slicing](https://en.wikipedia.org/wiki/Object_slicing)
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\[6\] Stack Overflow, “Why does the stack address grow towards decreasing memory addresses?” [https://stackoverflow.com/questions/4560720/why-does-the-stack-address-grow-towards-decreasing-memory-addresses](https://stackoverflow.com/questions/4560720/why-does-the-stack-address-grow-towards-decreasing-memory-addresses)
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注意：有些条目虽然有中文版，但内容太少；此处单独标出中文版条目的，则是内容比较全面、能够补充本专栏内容的情况。
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