利用C++ RAII技术自动回收堆内存
在C++的编程过程中，我们经常需要申请一块动态内存，然后当用完以后将其释放。通常而言，我们的代码是这样的：
1: void
func()
2: {
3: //allocate a dynamic memory
4: int *ptr =
new int;
5:
6: //use ptr
7:
8: //release allocated
memory
9: delete ptr;
10: ptr = NULL;
11:
}
如果这个函数func()逻辑比较简单，问题不大，但是当中间的代码有可能抛出异常时，上面的代码就会产生内存泄露(memory
leak)，如下面代码中第11行和12行将不会被执行。当然有码友会说用try-catch包起来就可以了，对，没错，但是代码中到处的try-catch也挺被人诟病的：
1:
void func()
2: {
3: //allocate a dynamic memory
4: int *ptr
= new int;
5:
6: throw “error”; //just an
example
7:
8: //use ptr
9:
10: //release allocated
memory
11: delete ptr;
12: ptr = NULL;
13:
}
而且当函数有多个返回路径时，需要在每个return前都要调用delete去释放资源，代码也会变的不优雅了。
1: void
func()
2: {
3: //allocate a dynamic memory
4: int *ptr =
new int;
5:
6: if (...)
7: {
8:
//...a
9:
10: //release allocated memory
11: delete
ptr;
12: ptr = NULL;
13: return;
14: } else if
(....)
15: {
16: //...b
17:
18: //release allocated
memory
19: delete ptr;
20: ptr = NULL;
21: return;
22:
}
23:
24: //use ptr
25:
26: //release allocated
memory
27: delete ptr;
28: ptr = NULL;
29:
}
鉴于此，我们就要想办法利用C++的一些语言特性，在函数退栈时能够将局部申请的动态内存自动释放掉。熟悉C++的码友们都知道，当一个对象退出其定义的作用域时，会自动调用它的析构函数。也就是说如果我们在函数内定义一个局部对象，在函数返回前，甚至有异常产生时，这个局部对象的析构函数都会自动调用。如果我们能够将释放资源的代码交付给这个对象的析构函数，我们就可以实现资源的自动回收。这类技术，通常被称为RAII
(初始化中获取资源)。
什么是RAII以及几个例子
在C++等面向对象语言中，为了管理局部资源的分配以及释放(resource
allocation and deallocation)，实现异常安全(exception-safe)、避免内存泄露等问题，C++之父Bjarne
Stroustrup发明了一种叫做”初始化中获取资源“ (RAII, Resource Acquisition Is
Initialization，也可以叫做Scope-Bound Resource
Management)的技术。简单来说，它的目的就是利用一个局部对象，在这个对象的构造函数内分配资源，然后在其析构函数内释放资源。这样，当这个局部对象退出作用域时，它所对应的的资源即可自动释放。在实现上，它通常有三个特点：
创建一个特殊类，在其构造函数初申请资源;
www.tygj123.com
封装目标对象，将申请资源的目标对象作为这个特殊类的成员变量;
在这个类的析构函数内，释放资源。
一个典型的例子就是标准库中提供的模板类std::auto_ptr。如在《C++程序设计语言》(《The
C++ Programming Language, Special Edition》, Bjarne
Stroustrup著，裘宗燕译)中第327页所描述的。
1: template
2: class std::auto_ptr
{
3:
4: public:
5: //在构造函数中，获得目标指针的管理权
6: explicit
auto_ptr(X *p = 0) throw() { ptr = p; }
7: //在析构函数中，释放目标指针
8:
~auto_ptr() throw() { delete ptr; }
9:
10:
//...
11:
12: //重装*和->运算符，使auto_ptr对象像目标指针ptr一样使用
13:
X& operator*() const throw() { return *ptr; }
14: X*
operator->() const throw() { return ptr; }
15:
16:
//放弃对目标指针的管理权
17: X* release() throw() { X* t = ptr; ptr = 0; return
t; }
18:
19: private:
20: X *ptr;
21:
};
想要使用它，非常简单，例如
1: #include
2:
3: void func()
4:
{
5: std::auto_ptr p(new int);
6:
7: //use p just like
ptr
8:
9: return;
10: }
另一个例子，是利用GCC中的cleanup
attribute。它可以指定一个函数，在该变量退出作用域时可以执行。例如Wikipedia上提到的宏
1: #define
RAII_VARIABLE(vartype,varname,initval,dtor) \
2: void _dtor_ ##
varname (vartype * v) { dtor(*v); } \
3: vartype varname
__attribute__((cleanup(_dtor_ ## varname))) =
(initval)
我们可以这样使用，例如
1: void example_usage() {
2:
RAII_VARIABLE(FILE*, logfile, fopen("logfile.txt", "w+"), fclose);
3:
fputs("hello logfile!", logfile);
4: }
还有一个例子，是在刘未鹏的博客文章”C++11
(及现代C++风格)和快速迭代式开发“中的”资源管理“一节中看到的，他借助C++11的std::function实现了这一特性。感兴趣的码友可以到他博客内阅读。
笔者采用的方法
对于new/delete，使用上面提到的std::auto_ptr就可以了，但是对于new/delete[]一个动态的一维数组，甚至二维数组，auto_ptr就无能为力了。而且在一些项目中，特别是一些有着悠久历史的代码中，还存在着使用malloc,
new混用的现象。所以笔者设计了一个auto_free_ptr类，实现目标资源的自动回收。它的实现比较简单，只利用了RAII的第三个特点——”在类的析构函数内释放资源”，但有一个优点是可以在申请堆内存代码前使用
www.yztrans.com
代码如下，
1: //auto_free_ptr is only used for automation free
memory
2: template
3: class auto_free_ptr
4: {
5:
public:
6: typedef enum {invalid, new_one, new_array, alloc_mem}
EFLAG;
7: auto_free_ptr() { initialize(); }
8: ~auto_free_ptr(){
free_ptr(); }
9:
10: ///set the pointer needed to automatically
free
11: inline void set_ptr(T** new_ptr_address, EFLAG
new_eflag)
12: { free_ptr(); p_ptr = new_ptr_address; eflag =
new_eflag; }
13:
14: ///give up auto free memory
15: inline
void give_up() { initialize(); }
16:
17: protected:
18:
inline void initialize() { p_ptr = NULL; eflag = invalid; }
19:
inline void free_ptr() throw()
20: {
21: if(!p_ptr || !(*p_ptr))
return;
22:
23: switch(eflag)
24: {
25: case
alloc_mem: { free(*p_ptr), (*p_ptr) = NULL, p_ptr = NULL; break;
}
26: case new_one: { delete (*p_ptr), (*p_ptr) = NULL, p_ptr = NULL;
break; }
27: case new_array: { delete[] (*p_ptr),(*p_ptr) = NULL,
p_ptr = NULL; break; }
28: }
29: }
30:
31:
protected:
32: T** p_ptr; //!< pointer to the address of the set
pointer needed to automatically free
33: EFLAG eflag; //!< the
type of allocation
34:
35: private:
36:
DISABLE_COPY_AND_ASSIGN(auto_free_ptr);
37:
};
为了使用方便，封装两个宏：
1: // auto-free macros are mainly used to free
the allocated memory by some local variables in the internal of
function-body
2: #define AUTO_FREE_ENABLE( class, ptrName, ptrType )
\
3: auto_free_ptr auto_free_##ptrName; \
4:
auto_free_##ptrName.set_ptr(&ptrName,auto_free_ptr::ptrType)
5:
6:
#define AUTO_FREE_DISABLE( ptrName )
auto_free_##ptrName.give_up()
使用起来很简单，例如
1: void func(int
nLftCnt, int nRhtCnt)
2: {
3: if (!nLftCnt &&
!nRhtCnt)
4: return;
5:
6: unsigned *pLftHashs =
NULL;
7: unsigned *pRhtHashs = NULL;
8:
9:
//在申请堆内存之前，使用auto_free_ptr
10: AUTO_FREE_ENABLE(unsigned, pLftHashs,
new_array);
11: AUTO_FREE_ENABLE(unsigned, pRhtHashs,
new_array);
12:
13: //....
14:
15: if
(nLftCnt)
16: {
17: pLftHashs = new unsigned[nLftCnt];
18:
//...a
19: }
20:
21: if (nRhtCnt)
22: {
23:
pRhtHashs = new unsigned[nRhtCnt];
24: //...b
25:
}
26:
27: //....
28:
29: if (...)
30: {
31:
//因为下面这个函数可以释放资源，所以在它前面放弃对目标指针的管理权
32:
AUTO_FREE_DISABLE(pLftHashs);
33:
AUTO_FREE_DISABLE(pRhtHashs);
34:
35: //这个函数可以释放资源
36:
free_hash_arrays(pLftHashs, pRhtHashs);
37: }
38:
}
同样的，有时我们需要申请一个动态二维数组，所以也实现一个对应的auto_free_2D_ptr
1:
//auto_free_2D_ptr is only used for automation free memory of 2D
array
2: template
3: class auto_free_2D_ptr
4: {
5:
public:
6: typedef enum {invalid, new_one, new_array, alloc_mem}
EFLAG;
7: auto_free_2D_ptr() { initialize(); }
8:
~auto_free_2D_ptr() { free_ptr(); }
9:
10: ///set the pointer
needed to automatically free
11: inline void set_ptr( T**
new_ptr_address,EFLAG new_eflag, int new_length_row )
12: {
free_ptr(); p_ptr = new_ptr_address; eflag = new_eflag; length_row =
new_length_row; }
13:
14: //give up auto free memory
15:
inline void give_up() { initialize(); }
16:
17:
protected:
18: inline void initialize() { p_ptr = NULL; eflag =
invalid; length_row = 0;}
19: inline void free_ptr() throw()
20:
{
21: if(!p_ptr || !(*p_ptr)) return;
22:
23: for(int i =
0; i < length_row; i++)
24: {
25: if(!(*p_ptr)[i])
continue;
26: switch(eflag)
27: {
28: case alloc_mem: {
free((*p_ptr)[i]); break; }
29: case new_one: { delete (*p_ptr)[i];
break; }
30: case new_array: { delete[] (*p_ptr)[i]; break;
}
31: }
32: (*p_ptr)[i] = NULL;
33: }
34:
switch(eflag)
35: {
36: case alloc_mem: { free((*p_ptr)); break;
}
37: default: { delete[] (*p_ptr); break; }
38: }
39:
(*p_ptr) = NULL, p_ptr = NULL;
40: }
41:
42:
protected:
43: T** p_ptr; //!< pointer to the address of the set
pointer needed to automatically free
44: EFLAG eflag; //!< the
type of allocation
45: int length_row; //!< the row length such as
ptr[length_row][length_col]
46:
47: private:
48:
DISABLE_COPY_AND_ASSIGN(auto_free_2D_ptr);
49: };
50:
51:
#define AUTO_FREE_2D_ENABLE( class, ptrName, ptrType, rowNum ) \
52:
auto_free_2D_ptr auto_free_##ptrName; \
53:
auto_free_##ptrName.set_ptr(&ptrName,auto_free_2D_ptr::ptrType,
rowNum)
54:
55: #define AUTO_FREE_2D_DISABLE( ptrName )
AUTO_FREE_DISABLE( ptrName )
下面是个例子
1: void func(int row, int
col)
2: {
3: if (!row && !col)
4:
return;
5:
6: int **ptr = new int*[ row ];
7: for( int r =
0; r < row; ++r ) { ptr[r] = new int[ col ];}
8:
9:
AUTO_FREE_2D_ENABLE( int, ptr, new_array, row );
10:
11:
//....
12:
}
到这里就结束了，有些码友可能会说，何必这么麻烦，boost内有很多智能指针供选择，用share_ptr, scoped_ptr,
scoped_array，unique_ptr, auto_ptr 中的一个不就行了吗?
没错!如果你正在开发的代码中，允许用boost，并且在相关程序接口统一都用智能指针来管理、不会用到源对象指针的话，当然优先选boost，但是当你的代码中由于历史原因，有些接口不可变更，且new/delete,
malloc/free都存在，而且依然需要使用源对象指针来完成大部分工作时，不妨试试我设计的这个阉割版的scoped_ptr/scoped_array。总之，根据自己的实际情况来选择合适的方案，如果标准方案不适用，就自己写一个。
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