C++ 核心指南之資源管理（上）

C++ 核心指南（C++ Core Guidelines）是由 Bjarne Stroustrup、Herb Sutter 等頂尖 C++ 專家創建的一份 C++ 指南、規則及最佳實踐，旨在幫助大家正確、高效地使用“現代 C++”，

這份指南側重于介面、資源管理、記憶體管理、并發等 High-level 主題，遵循這些規則可以最大程度地保證靜態型別安全，避免資源泄露及常見的錯誤，使得程式運行得更快、更好，

R. Resource Management

本章的基本目標是：不產生資源泄漏，不持有不再需要的資源，資源是指需要申請和（顯式或隱式）釋放的任何東西，如記憶體、檔案句柄、套接字、鎖等，如果一個物體“擁有”資源，則意味著該物體負責釋放資源，在個別場景下，資源泄露是可以接受的，例如有足夠的記憶體處理最大的輸入，或者出于性能優化考慮，只申請不釋放，本章的規則不適用于這類特殊情況，

• 資源管理規則總結
  • R.1: 通過資源句柄和 RAII 自動管理資源
  • R.2: 在介面中，裸指標只用來表示單個物件
  • R.3: 裸指標（T*）不擁有資源
  • R.4: 裸參考（T&）不擁有資源
  • R.5: 優先使用物件，非必要不在堆上分配
  • R.6: 避免使用非 const 的全域變數

R.1: 通過資源句柄和 RAII 自動管理資源

避免泄露以及手動管理資源的復雜性，C++ 的構造/析構反映了資源獲取/釋放的固有對稱性，如 fopen/fclose，lock/unlock，new/delete，在處理資源時，如果需要通過一對函式獲取/釋放資源，則可以把該資源封裝到一個類中：在構造中獲取資源，析構中釋放資源，

反面例子

void send(X* x, string_view destination)
{
    auto port = open_port(destination);
    my_mutex.lock();
    // ...
    send(port, x);
    // ...
    my_mutex.unlock();
    close_port(port);
    delete x;
}

在這個例子中，必須記得在所有路徑上呼叫 unlock、close_port、delete，并且要保證剛好呼叫一次，并且一旦 ... 部分拋出例外，就會導致資源 x 泄露，my_mutex 也一直是 locked 狀態，

正面例子

void send(unique_ptr<X> x, string_view destination)
{
    Port port{destination};            // port 擁有 PortHandle
    lock_guard<mutex> guard{my_mutex}; // guard 擁有鎖
    // ...
    send(port, x);
    // ...
} // 自動 unlock my_mutex 并且 delete x

現在所有資源都是自動釋放的，并且保證在所有路徑上，無論是否有例外拋出，都只釋放一次，不僅如此，這個函式也明確宣布了它對指標 x 的所有權，

Port 只是一個簡單的 wrapper，封裝了資源：

class Port {
    PortHandle port;
public:
    Port(string_view destination) : port{open_port(destination)} { }
    ~Port() { close_port(port); }
    operator PortHandle() { return port; }

    // port 句柄通常不能復制，如果有必要，禁用拷貝構造和拷貝賦值運算子
    Port(const Port&) = delete;
    Port& operator=(const Port&) = delete;
};

注

如果資源不是以“具有解構式的類”的方式呈現，就用類封裝一下，或者使用 GSL 庫中的 finally ，以便資源能夠自動釋放

相關慣用法

RAII

R.2: 在介面中，裸指標只用來表示單個物件

換句話說，不要用裸指標表示一個陣列，陣列最好用容器型別（如：擁有資源的用 vector、不擁有資源的用 span），容器、視圖包含大小資訊，可以進行邊界檢查，

反面例子

void f(int* p, int n)   // n 是 p[] 元素的數量
{
    // ...
    p[2] = 7;   // bad: 裸指標下標
    // ...
}

編譯器又不看注釋，如果不看其他代碼，你無法確定 p 是否真的指向 n 個元素，這種情況最好用 span，

例子

void g(int* p, int fmt)   // 用 #fmt 格式列印 *p
{
    // ... 僅使用 *p 和 p[0] ...
}

例外

C 風格字串通過單個指標（指向以 \0 結尾的字符序列）傳遞，如果你依賴這種約定，最好使用 zstring，而不是 char*

注

很多指向單一元素的指標都可以用參考替代，除非指標可能是 nullptr

代碼檢查建議

• 如果一個指標不是容器、視圖或迭代器，且對該指標進行了算術運算（包括 ++），則標記該指標上的算術運算，如果將該規則應用在舊的代碼上，可能產生大量誤報
• 標記作為簡單指標傳遞的陣列

R.3: 裸指標（T*）不擁有資源

在絕大多數的代碼中，裸指標都是“非擁有”（non-owning）的，即指標不擁有資源，使用該指標的代碼不負責釋放指標指向的資源，

我們希望能夠標識出“擁有指標”（owning pointer），這樣就能安全地釋放“擁有指標”指向的資源，

例子

void f()
{
    int* p1 = new int{7};           // bad: 裸“擁有指標”，f() 要負責釋放 p1 指向的資源
    auto p2 = make_unique<int>(7);  // OK: unique_ptr 擁有 int
    // ...
}

unique_ptr 可以保證及時釋放資源，即使發生例外也不會產生泄漏，但是 T* 無法保證，

例子

template<typename T>
class X {
public:
    T* p;   // bad: 不清楚 p 是否是“擁有指標”
    T* q;   // bad: 不清楚 q 是否是“擁有指標”
    // ...
};

上面的代碼無法知道 p、q 是否是“擁有指標”，可以通過下面的方式明確所有權：

template<typename T>
class X2 {
public:
    owner<T*> p;  // OK: p 是“擁有指標”
    T* q;         // OK: q 不是“擁有指標”
    // ...
};

注

owner<T*> 本質上也是 T*，用 owner<T*> 替代 T* 不會影響 ABI 及原來的代碼，它只是用來提示程式員和代碼分析工具，如果 owner<T*> 是類的成員，通常應該在類的析構中釋放指向的資源，

例外

主要是歷史遺留代碼，尤其是那些要需要和 C 或者和 C 風格 C++ ABI 兼容，我們不能把所有的“擁有指標”轉換成 unique_ptr 或 shared_ptr 來解決這個問題，部分原因是我們在基本的資源管理代碼中需要/使用了裸“擁有指標”，例如常見的 vector 實作中，有一個“擁有指標”和兩個“非擁有指標”，許多 ABI（以及所有 C 代碼介面）都還使用 T*，其中有些是“擁有指標”，有些介面不能簡單地用 owner<T*> 標注，因為要和 C 兼容（這個問題可以用宏來解決，只在 C++ 時展開宏，這是宏少有的正確使用場景），

反面例子

回傳裸指標使得呼叫者無法確切知道該如何進行生命周期管理：呼叫者是否需要釋放指標指向的物件？

Gadget* make_gadget(int n)
{
    auto p = new Gadget{n};
    // ...
    return p;
}

void caller(int n)
{
    auto p = make_gadget(n);   // 呼叫者要記得洗掉 p
    // ...
    delete p;
}

上述代碼除了泄漏問題之外，還可能增加不必要的分配/釋放操作，如果 Gadget 很小或者移動成本很低，可以直接按值回傳（詳見 R.5）：

Gadget make_gadget(int n)
{
    Gadget g{n};
    // ...
    return g;
}

注

本規則適用于工廠方法

注

在必須使用指標的情況下（比如涉及到多型，回傳基類指標），回傳智能指標

代碼檢查建議

• 如果 delete 了一個不是 owner<T> 的裸指標，給出警告
• 如果沒有在所有路徑上 reset 或 delete 某個 owner<T>，給出警告
• 如果 new 回傳的結果賦給一個裸指標，給出警告
• 如果函式回傳了一個在函式內分配的物件，且該物件有移動構造，給出警告，建議考慮按值回傳

R.4: 裸參考（T&）不擁有資源

和 R.3 一樣，大多數的裸參考也不擁有資源，

例子

void f()
{
    int& r = *new int{7};  // bad: 裸“擁有參考”
    // ...
    delete &r;             // bad: 洗掉裸指標，違反 R.3 規則
}

R.5: 優先使用作用域物件，非必要不在堆上分配

作用域物件（scoped object）可以是區域物件、全域物件或者類成員，除了作用域物件本身，沒有額外的分配/釋放的開銷，作用域物件內部的成員的生命周期由作用域物件的構造/析構管理，

例子

下面代碼存在的問題：1. 不必要的分配/釋放；2. 如果 ... 部分拋例外，會導致記憶體泄漏；3. 代碼冗長

void f(int n)
{
    auto p = new Gadget{n};
    // ...
    delete p;
}

改用區域物件則可解決上述 3 個問題：

void f(int n)
{
    Gadget g{n};
    // ...
}

代碼檢查建議

• 如果一個函式內，某個物件在所有路徑上都是先分配，再釋放，給出警告，建議用區域堆疊物件，
• 如果一個區域非 const 的 unique_ptr 或者 shared_ptr 在其生命周期結束之前沒有被 move、拷貝、重新賦值或者 reset，給出警告
  • 例外：如果是一個指向動態陣列的區域 unique_ptr，不給出警告，見下面例子：

例外

可以創建一個堆上分配緩沖區的 const unique_ptr<T[]>，這是表示動態陣列的合法方式

例子

int get_median_value(const std::list<int>& integers)
{
  const auto size = integers.size();

  // OK: 宣告一個區域 unique_ptr<T[]>.
  const auto local_buffer = std::make_unique_for_overwrite<int[]>(size);

  std::copy_n(begin(integers), size, local_buffer.get());
  std::nth_element(local_buffer.get(), local_buffer.get() + size/2, local_buffer.get() + size);

  return local_buffer[size/2];
}

R.6: 避免使用非 const 的全域變數

（同規則 I.2）非 const 的全域變數隱藏了依賴，容易受到無法預測的改變，

例子

struct Data {
    // ... lots of stuff ...
} data;            // non-const data

void compute()     // don't
{
    // ... use data ...
}

void output()     // don't
{
    // ... use data ...
}

你很難知道是否還會有其他地方改變 data

警告

全域物件的初始化順序不能完全確定，所以只能用常量去初始化全域物件，另外，即使是 const 物件，其初始化順序也可能是未定義的，

例外

即便是全域物件，一般來說也比單例好

注

• 全域常量是有用的

• 本規則除了適用于“全域變數”外，對命名空間里的變數也適用

替代方案

如果是出于避免拷貝的目的而使用全域變數，可以考慮用 reference to const 來傳遞資料，或者把該資料作為物件的狀態（即類的成員），然后通過成員函式是來操作該成員，

警告

小心資料爭用（data race）：如果一個執行緒可以訪問 non-local 資料（或者參考傳遞的資料），同時另一個執行緒執行 callee，就可能產生 data race，每個指向可變資料的指標或參考都可能產生資料爭用

注

不可變資料（immutable data）不會產生靜態條件（race condition）

注

這條規則是“盡量避免”，不是“禁止使用”，會有一些（極少數）例外，比如 cin、cout 和 cerr

代碼檢查建議

報告所有在命名空間/全域中宣告的非 const 變數及指向非 const 物件的指標或參考

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