Resource Management in Modern C++

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Aug 21, 2024

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1 - 手动管理资源的限制和挑战

C++ 的设计哲学是给予程序员全面的控制权，这意味着我们需要自己注意很多事情。

比如，在编写程序完成任务时，我们常常需要使用各种形式的资源，对于这些资源我们需要管理他们的生命周期：在获取资源时正确的初始化，在使用结束后正确的释放。

然而，手动进行资源的管理是繁琐的：

需要在每个执行路径释放资源。

需要在每种异常退出情况释放资源。

……

几种情况的组合之下使得手动管理资源的方式变得不可持续，使得我们重新思考：

获得全面的控制是否意味着我们就需要手动完成所有 low-level 的事情？

2 - RAII & Ownership

事实上拥有完全的控制权并不意味着需要完全手动管理资源，我们可以借助语言提供的机制进行一些更容易的操作：

使用对象管理资源，不直接操纵资源而是操作拥有他们的对象。

RAII: 在对象的构造函数中初始化资源，在析构函数中释放他们。

Ownership: 使用 copy / move 构造或赋值管理所有权的转移。

3 - More Ownership

当一个对象拥有一些资源的 ownership, 这意味着它需要承担这些资源的获取，释放和 ownership 交接相关的动作，而不是由用户来承担。

ownership 可以分为两种类型：

unique ownership: 一个对象独享一组资源，它单独承担管理它们的责任。

shared ownership: 多个对象共同管理一组资源，最后一个析构的对象负责资源的释放。

4 - C++ 智能指针

在 C++ 11 之前，我们使用裸指针，存在如下问题：

对于一个 T* 指针，不好判断到底应该由谁来释放它管理的资源，甚至不直接知道它到底在堆还是栈上。

对于一个 T* 指针，无法判断它是由 new T 得到的单一对象还是 new T[N] 得到的数组，进而就不知道调用 delete 还是 delete[]

难以在所有路径和异常情况释放资源

C++ 11 开始加入了新的智能指针 std::unique_ptr<T> , std::shared_ptr<T> 和 std::weak_ptr<T>, 用来协助实现资源的自动管理。

std::unique_ptr<T> = unique ownership

std::shared_ptr<T> = shared ownership

std::weak_ptr<T> = shared ownership (not quite)

4.1 - std::unique_ptr<T>

unique_ptr 代表独占所有权，单独对指向资源的管理负责，在 unique_ptr 离开作用域或者被赋予新的对象时释放资源。

4.2 - std::shared_ptr<T>

shared_ptr 代表共享所有权，具体来说其实现是引用计数，每个 shared_ptr 会指向一个控制块，这个控制块包含引用计数，弱计数（和 weak_ptr 有关），被管理的对象（如果是从 std::make_shared 构建的）或者指向它的指针，以及一些其他信息。

在以下情况下 shared_ptr 会创建一个新的控制块：

用裸指针传入构造函数构造的 shared_ptr：此时假定这个裸指针还没被管理，因此需要创建控制块。

使用 std::make_shared：此时对象也是一起创建的，还没有控制块，因此需要创建。

从 unique_ptr 转换而来时：此时当前 shared_ptr 是第一个拥有对象所有权的，因此需要创建。

总结来说就是如果认为是第一个拥有所有权的对象就会创建。这也带来了某些情况下的奇怪的 bug: 把同一个裸指针传入两个 shared_ptr，这可能会造成 dangling pointer.

4.3 - std::weak_ptr<T>

weak_ptr 用来在不增加引用计数的情况下模拟共享所有权，其并不真的拥有所有权，无法解引用，但是可以在 shared_ptr 所指向的资源还没释放的时候充当某种观察的角色。weak_ptr 可以申请转换为 shared_ptr 来使用指向的资源。

5 - Raw Pointers + Smart Pointers

有了智能指针之后，裸指针在很多时候仍然很方便，解决了 RAII 和所有权的问题之后，我们可以结合使用两种指针：

用智能指针来表示所有权

用裸指针 / 引用来表示引用而不管理。