「C++ 」借來的資源，何如還的瀟灑？
前言
本文的內容將專門對付記憶體管理，培養起有借有還的好習慣，方可消除資源管理的問題。
正文
所謂的資源就是，一旦用了它，將來必須還給系統。如果不是這樣，糟糕的事情就會發生。
C++ 程式內常見的資源：
- 動態分配記憶體
- 檔案描述符
- 互斥鎖
- 圖形頁面中的字型和筆刷
- 資料庫連線
- 網路 sockets
無論哪一種資源，重要的是，當你不再使用它時，必須將它還給系統，有借有還是個好習慣。
細節 01 ： 以物件管理資源
把資源放在解構函式，交給解構函式釋放資源
假設某個 class 含有個工廠函式，該函式獲取了物件的指標：
A* createA(); // 返回指標，指向的是動態分配物件。
// 呼叫者有責任刪除它。如上述註釋所言，createA 的呼叫端使用了函式返回的物件後，有責任刪除它。現在考慮有個f函式履行了這個責任:
void f()
{
A *pa = createA(); // 呼叫工廠函式
... // 其他程式碼
delete pa; // 釋放資源
}
這看起來穩妥，但存在若干情況f函式可能無法執行到delete pa語句，也就會造成資源洩漏，例如如下情況：
- 或許因為「…」區域內的一個過早的 return 語句；
- 或許因為「…」區域內的一個迴圈語句過早的continue 或 goto 語句退出；
- 或許因為「…」區域內的語句丟擲異常，無法執行到 delete。
當然可以通過謹慎地編寫程式可以防止這一類錯誤，但你必須想想，程式碼可能會在時間漸漸過去後被修改，如果是一個新手沒有注意這一類情況，那必然又會再次有記憶體洩漏的可能性。
為確保 A 返回的資源都是被回收，我們需要將資源放進物件內，當物件離開作用域時，該物件的解構函式會自動釋放資源。
「智慧指標」是個好幫手，交給它去管理指標物件。
對於是由動態分配（new）於堆記憶體的物件，指標物件離開了作用域並不會自動呼叫解構函式（需手動delete），為了讓指標物件能像普通物件一樣，離開作用域自動呼叫解構函式回收資源，我們需要藉助「智慧指標」的特性。
常用的「智慧指標」有如下三個：
- std::auto_ptr（ C++ 98 提供、C++ 11 建議摒棄不用 ）
- std::unique_ptr（ C++ 11 提供 ）
- std::shared_ptr（ C++ 11 提供 ）
std::auto_ptr
下面示範如何使用 std::auto_ptr 以避免 f 函式潛在的資源洩漏可能性：
void f()
{
std::auto_ptr<A> pa (createA()); // 呼叫工廠函式
... // 一如既往的使用pa
} // 離開作用域後，經由 auto_ptr 的解構函式自動刪除pa;
這個簡單的例子示範「以物件管理資源」的兩個關鍵想法：
- 獲得資源後立刻放進管理物件內。以上程式碼中 createA 返回的資源被當做其管理者 auto_ptr 的初值，也就立刻被放進了管理物件中。
- 管理物件運用解構函式確保資源釋放。不論控制流如何離開區塊，一旦物件被銷燬（例如當物件離開作用域）其解構函式自然會被自動呼叫，於是資源被釋放。
為什麼在 C++11 建議棄用 auto_ptr 嗎？當然是 auto_ptr 存在缺陷，所以後續不被建議使用。
auto_ptr 有一個不尋常的特質：若通過「複製建構函式或賦值操作符函式」 copy 它們，它們會變成 null ，而複製所得的指標將獲取資源的唯一擁有權！
見如下例子說明：
std::auto_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物 std::auto_ptr<A> pa2(pa1); // 現在 pa2 指向物件，pa1將被設定為 null pa1 = pa2; // 現在 pa1 指向物件，pa2 將被設定為 null
這一詭異的複製行為，如果再次使用指向為 null 的指標，那必然會導致程式奔潰。
意味著 auto_ptr 並非管理動態分配資源的神兵利器。
std::unique_ptr
unique_ptr 也採用所有權模型，但是在使用時，是直接禁止通過複製建構函式或賦值操作符函式 copy 指標物件，如下例子在編譯時，會出錯：
std::unique_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物 std::unique_ptr<A> pa2(pa1); // 編譯出錯！ pa1 = pa2; // 編譯出錯！
std::shared_ptr
shared_ptr 在使用複製建構函式或賦值操作符函式後，引用計會數累加並且兩個指標物件指向的都是同一個塊記憶體，這就與 unique_ptr、auto_ptr 不同之處。
void f()
{
std::shared_ptr<A> pa1(createA()); // pa1 指向 createA 返回物
std::shared_ptr<A> pa2(pa1); // 引用計數+1，pa2和pa1指向同一個記憶體
pa1 = pa2; // 引用計數+1，pa2和pa1指向同一個記憶體
}
當一個物件離開作用域，shared_ptr 會把引用計數值 -1 ，直到引用計數值為 0 時，才會進行刪除物件。
由於 shared_ptr 釋放空間時會事先要判斷引用計數值的大小，因此不會出現多次刪除一個物件的錯誤。
小結 - 請記住
- 為防止資源洩漏，請使用 RAII（Resource Acquisition Is Initaliaztion - 資源取得時機便是初始化時機） 物件，它們在建構函式中獲取資源，並在解構函式中是釋放資源
- 兩個建議使用的 RAII classes 分別是 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。前者不允許 copy 動作，後者允許 copy 動作。但是不建議用 std::auto_ptr，若選 auto_ptr，複製動作會使它（被複制物）指向 null 。
細節 02：在資源管理類中小心 copying 行為
假設，我們使用 C 語音的 API 函式處理型別為 Mutex 的互斥物件，共有 lock 和 unlock 兩函式可用：
void locak(Mutex *pm); // 鎖定 pm 所指的互斥器 void unlock(Mutex* pm); // 將互斥器解除鎖定
為確保絕不會忘記一個被鎖住的 Mutex 解鎖，我們可能會希望創立一個 class 來管理鎖資源。這樣的 class 要遵守 RAII 守則，也就是「資源在構造期間獲得，在析構釋放期間釋放」：
class Lock
{
public:
explicit Lock(Mutex *pm) // 建構函式
: pMutex(pm)
{
lock(pMutex);
}
~Lock() // 解構函式
{
unlock(pMutex);
}
private:
Mutex* pMutex;
};
這樣定義的 Lock，用法符合 RAII 方式：
Mutex m; //定義你需要的互斥鎖
...
{ // 建立一個區域性區塊作用域
Lock m1(&m); // 鎖定互斥器
...
} // 在離開區塊作用域，自動解除互斥器鎖定
這很好，但如果 Lock 物件被複制，會發生什麼事情？
Lock m1(&m); // 鎖定m Lock m2(&m1); // 將 m1 複製到 m2身上，這會發生什麼？
這是我們需要思考和麵對的：「當一個 RAII 物件被複制，會發生什麼事情？」大多數時候你會選擇以下兩種可能：
- 禁止複製。如果 RAII 不允許被複制，那我們需要將 class 的複製建構函式和賦值操作符函式宣告在 private。
- 使用引用計數法。有時候我們希望保有資源，直到它直的最後一個物件被消耗。這種情況下複製 RAII 物件時，應該將資源的「被引用數」遞增。std::shared_ptr 便是如此。
如果前述的 Lock 打算使用使用引用計數法，它可以使用 std::shared_ptr 來管理 pMutex 指標，然後很不幸 std::shared_ptr 的預設行為是「當引用次數為 0 時刪除其所指物」那不是我們想要的行為，因為要對 Mutex 釋放動作是解鎖而非刪除。
幸運的是 std::shared_ptr 允許指定自定義的刪除方式，那是一個函式或函式物件。如下：
class Lock
{
public:
explicit Lock(Mutex *pm)
: pMutex(pm, unlock) // 以某個 Mutex 初始化 shared_ptr，
// 並以 unlock 函式為刪除器。
{
lock(pMutex.get()); // get 獲取指標地址
}
private:
std::shared_ptr<Mutex> pMutex; // 使用 shared_ptr
};
請注意，本例的 Lock class 不再宣告解構函式。因為編譯器會自動創立預設的解構函式，來自動呼叫其 non-static 成員變數（本例為 pMutex ）的解構函式。
而 pMutex 的解構函式會在互斥器的引用次數為 0 時，自動呼叫 std::shared_ptr 的刪除器（本例為 unlock ）。
小結 - 請記住
- 複製 RAII 物件必須一併複製它的所管理的資源（深拷貝），所以資源的 copying 行為決定 RAII 物件的 copying 行為。
- 普通而常見的 RAII class copying 行為是：禁止 copying、施行引用計數法。
細節 03 ：在資源類中提供對原始資源的訪問
智慧指標「顯式」轉換，也就是通過 get 成員函式的方式轉換為原始指標物件。
上面提到的「智慧指標」分別是：std::auto_ptr、std::unique_ptr、std::shared_ptr。它們都有訪問原始資源的辦法，都提供了一個 get 成員函式，用來執行顯式轉換，也就是它會返回智慧指標內部的原始指標（的復件）。
舉個例子，使用智慧指標如 std::shared_ptr 儲存 createA() 返回的指標物件 ：
std::shared_ptr<A> pA(createA());
假設你希望以某個函式處理 A 物件，像這樣：
int getInfo(const A* pA);
你想這麼呼叫它：
std::shared_ptr<A> pA(createA()); getInfo(pA); // 錯誤！！
會編譯錯誤，因為 getInfo 需要的是 A 指標物件，而不是型別為 std::shared_ptr<A> 的物件。
這時候就需要用 std::shared_ptr 智慧指標提供的 get 成員函式訪問原始的資源：
std::shared_ptr<A> pA(createA()); getInfo(pA.get()); // 很好，將 pA 內的原始指標傳遞給 getInfo
智慧指標「隱式」轉換的方式，是通過指標取值操作符。
智慧指標都過載了指標取值操作符（operator->和operator*），它們允許隱式轉換至底部原始指標：
class A
{
public：
bool isExist() const;
...
};
A* createA(); // 工廠函式，建立指標物件
std::shared_ptr<A> pA(createA()); // 令 shared_ptr 管理物件資源
bool exist = pA->isExist(); // 經由 operator-> 訪問資源
bool exist2 = (*pA).isExist(); // 經由 operator* 訪問資源
多數設計良好的 classes 一樣，它隱藏了程式設計師不需要看到的部分，但是有程式設計師需要的所有東西。
所以對於自身設計 RAII classes 我們也要提供一個「取得其所管理的資源」的辦法。
小結 - 請記住
- APIs 往往要求訪問原始資源，所以每一個 RAII class 應該提供一個「取得其所管理的資源」的辦法。
- 對原始資源的訪問可能經由顯式轉換或隱式轉換。一般而言顯式轉換比較安全，但隱式轉換比較方便。
細節 04：成對使用 new 和 delete
以下動作有什麼錯？
std::string* strArray = new std::string[100]; ... delete strArray;
每件事情看起來都井然有序。使用了 new，也搭配了對應的 delete。但還是有某樣東西完全錯誤。strArray 所含的 100 個 string 物件中的 99 個不太可能被適當刪除，因為它們的解構函式很可能沒有被呼叫。
當使用 new ，有兩件事發生：
- 記憶體被分配出來（通過名為 operator new 的函式）
- 針對此記憶體會有一個或多個建構函式被呼叫
當使用 delete，也會有兩件事情：
- 針對此記憶體會有一個或多個解構函式被呼叫
- 然後記憶體才被釋放（通過名為 operator delete 的函式）
delete 的最大問題在於：即將被刪除的記憶體之內究竟有多少物件？這個答案決定了需要執行多少個解構函式。
物件陣列所用的記憶體通常還包括「陣列大小」的記錄，以便 delete 知道需要呼叫多少次解構函式。單一物件的記憶體則沒有這筆記錄。你可以把兩者不同的記憶體佈局想象如下，其中 n 是陣列大小：
當你對著一個指標使用 delete，唯一能夠讓 delete 知道記憶體中是否存在一個「陣列大小記錄」的辦法就是：由你告訴它。如果你使用 delete 時加上中括號[]，delete 便認定指標指向一個數組，否則它便認定指標指向一個單一物件：
std::string* strArray = new std::string[100]; std::string* strPtr = new std::strin; ... delete [] strArray; // 刪除一個物件 delete strPtr; // 刪除一個由物件組成的陣列
遊戲規則很簡單：
- 如果你在 new 表示式中使用[]，必須在相應的 delete 表示式也使用[]。
- 如果你在 new 表示式中不使用[]，一定不要在相應的 delete 表示式使用[]。
小結 - 請記住
- 如果你在 new 表示式中使用[]，必須在相應的 delete 表示式也使用[]。如果你在 new 表示式中不使用[]，一定不要在相應的 delete 表示式使用[]。
細節 05：以獨立語句將 newed （已被 new 的）物件置入智慧指標
假設我們有個以下示範的函式：
int getNum(); void fun(std::shared_ptr<A> pA, int num);
現在考慮呼叫 fun：
fun(new A(), getNum());
它不能通過編譯，因為 std::shared_ptr 建構函式需要一個原始指標，而且該建構函式是個 explicit 建構函式，無法進行隱式轉換。如果寫成這樣就可以編譯通過：
fun(std::shared_ptr<A>(new A), getNum());
令人想不到吧，上述呼叫卻可能洩露資源。接下來我們來一步一步的分析為什麼存在記憶體洩漏的可能性。
在進入 fun 函式之前，肯定會先執行各個實參。上述第二個實參只是單純的對 getNum 函式的呼叫，但第一個實參 std::shared_ptr<A>(new A) 由兩部分組成：
- 執行
new A表示式 - 呼叫
std::shared_ptr建構函式
於是在呼叫 fun 函式之前，先必須做以下三件事：
- 呼叫
getNum函式 - 執行
new A表示式 - 呼叫
std::shared_ptr建構函式
那麼他們的執行次序是一定如上述那樣的嗎？可以確定的是 new A 一定比 std::shared_ptr 建構函式先被執行。但對 getNum 呼叫可以排在第一或第二或第三執行。
如果編譯器選擇以第二順位執行它：
- 執行
new A表示式 - 呼叫
getNum函式 - 呼叫
std::shared_ptr建構函式
萬一在呼叫getNum函式發生了異常，會發生什麼事情？在此情況下new A返回的指標將不會置入std::shared_ptr智慧指標裡，就存在記憶體洩漏的現象。
避免這類問題的辦法很簡單：使用分離語句。
分別寫出：
- 建立 A
- 將它置入一個智慧指標內
- 然後再把智慧指標傳遞給
fun函式。
std::shared_ptr<A> pA(new A); // 先構造智慧指標物件 fun(pA, getNum()); // 這個呼叫動作絕不至於造成洩漏。
以上的方式，就能避免原本由於次序導致記憶體洩漏發生。
小結 - 請記住
- 以獨立語句將 newed （已 new 過） 物件儲存於智慧指標內。如果不這樣做，一旦異常被丟擲，有可能導致難以察覺的資源洩漏。
最後
本文部分內容參考了《Effective C++ （第3版本）》第三章節內容，前兩章節的內容可看舊文
《學過 C++ 的你，不得不知的這 10 條細節！》
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