深入理解C++智能指针系列（一）

引言

都知道C/C++的最难的就是需要程序员自己管理内存，往往会因为一个简单的逻辑错误导致内存管理异常。
通常内存管理过程中会遇到以下问题：

1. 内存泄漏：

当开发者忘记释放已分配的内存时，就会发生内存泄漏。这种情况在大型项目中非常常见，项目中存在大量动态内存操作时，很容易遗漏释放操作。

2. 空悬指针：

当一个指针被释放后继续被使用，它就变成了空悬指针。这种指针指向已被释放的内存，继续使用这种指针会导致不可预测的行为和程序崩溃。

3. 双重释放：

如果同一个内存地址被释放多次，会发生双重释放错误，这可能导致程序崩溃或其他问题。

4. 不匹配的分配/释放：

使用new分配内存时应该使用delete来释放，对于使用new[]分配的数组应该用delete[]来释放。如果这些操作不匹配，也会导致不可预测的行为或崩溃。

正文

为了减轻程序员对内存管理的难度和负担，C++11引入了智能指针。
本文作为智能指针的第一篇，将从内存管理的基础来逐渐深入介绍智能指针。

栈内存和堆内存

和其他语言一样，C++有多重类型的内存，它们对应于物理内存的不同部分，分别是：静态、栈、堆。
静态内存是一个非常复杂的话题，这里不过多关注，我们主要关注栈内存和堆内存。

栈内存

栈是一种遵循后进先出（LIFO，Last In First Out）原则的数据结构，用于存储局部变量和函数调用的信息。

特点

• 速度快：栈内存的分配和回收速度非常快。内存分配简单，因为它只涉及指针的移动。
• 自动管理：函数执行完毕后，栈帧会自动弹出，局部变量也随之被销毁，程序员不需要手动管理这部分内存。
• 空间限制：栈的大小通常有限，并且由操作系统预先定义。因此，大量数据或者不确定大小的数据不适合在栈上分配。
  

限制

• 由于空间有限，大型数据结构不应该存储在栈内存中，避免栈溢出
• 栈内存中的数据不能被随意地访问或返回给函数外部，因为它们在函数返回后就不再存在了

堆内存

堆内存是一个用于动态内存分配的区域，程序在运行时可以从堆中分配或释放内存。与栈内存不同，堆内存的使用没有固定的模式，分配和释放顺序可以不一致。

特点

• 灵活性：堆允许程序动态地分配和释放内存，非常适合存储生命周期不确定或大小可变的数据对象。
• 容量大：相比栈内存，堆的大小通常只受可用系统内存的限制。
• 手动管理：程序员负责分配和释放堆内存。这提供了使用灵活性，但也增加了错误发生的风险，如内存泄漏或指针错误。
  

缺点

• 管理复杂：需要程序员显式地管理内存，易出错。
• 效率较低：相比栈内存的操作，堆内存分配和回收的成本较高，因为涉及到更复杂的内存管理和可能的碎片化问题。
• 安全性问题：不当的内存管理可能导致安全漏洞，如缓冲区溢出和无效指针访问。

RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种编程中的设计模式，用于在面向对象的编程中管理资源（如内存、文件句柄、网络连接等）的生命周期。这个模式通过确保资源的获取与对象的生命周期同步，从而实现资源的自动管理，主要目的是减少内存泄漏和资源泄漏的风险。

RAII的核心原则

1. 资源封装在对象中：

RAII 模式通过将资源封装在拥有确定生命周期的对象中来管理资源。资源的分配（获取）发生在对象的构造过程中，而资源的释放发生在对象的析构过程中。

2. 自动资源管理：

利用 C++ 的构造函数和析构函数，RAII确保只要对象还在作用域内，其管理的资源就会被正确维护，并在对象生命周期结束时自动释放。这消除了手动释放资源的需求，减少了因遗忘释放资源而导致的内存泄漏。

3. 异常安全保证：

RAII 也增强了代码的异常安全性，因为当异常发生时，局部对象会按照构造的逆序自动销毁，其析构函数将被调用以释放资源，从而防止资源泄露。

智能指针正是应用了RAII的设计模式来实现自动管理内存。