避免 memory leak：C++11 Smart Pointer（上）

為什麼要做這件事呢？主要一點，就是 C 有提供用 new 和 delete 這種動態記憶體配置的方法，可以很自由地配置、使用程式需要的記憶體。但是在使用 new 來配置記憶體的時候，是需要非常小心的！因為他所配置出來的記憶體空間，不像一般的變數一樣，會在生命周期結束的時候自動把資源釋放掉，除非自己使用 delete 來釋放，不然到程式結束之前，記憶體空間都會一直佔在那邊。

而如果 new 出來了之後、在沒有指標去指到那塊記憶體空間、又沒有做對應的 delete 的情況下，就會產生「記憶體還是佔在那邊，但是卻沒有辦法使用、也沒辦法釋放」的問題，也就是所謂的「memory leak」（維基百科）。

例如下面就是一個 memory leak 的例子：

void MemoryAlloc()
{
  int* a = new int(0);
}

當呼叫 MemoryAlloc() 這個函式的時候，在函式內部就會動態配置一塊記憶體空間，透過 a 這個指標拿來使用。但是在函式結束後，a 這個指標就因為生命週期的關係而自動消失、無法再使用了，但是他所指到的記憶體空間，卻還是佔在那邊！此時由於已經沒有指標指到那塊記憶體空間了，所以不但沒辦法使用那塊記憶體空間、連要釋放掉都釋放不了…

當然，這個狀況其實很好解，只要在 MemoryAlloc() 裡，記得加上一行 delete a; 就可以了，但是有的時候卻沒有那麼簡單。例如，當一個函式會回傳一個 pointer 的時候，其實有的時候會很難判斷到底要由誰來做 delete 的動作…下面是一個例子：

class DataGenerator
{
public:
  int* GetData();
};

在 DataGenerator 裡，有一個成員函式 int* GetData()，會傳出來一個 int 的指標；看起來好像沒有什麼大問題？但是在使用的時候，卻有一個問題，那就是到底應不應該在外不去釋放這個指標所指到的記憶體空間？例如下面這樣的程式，就會是一個例子：

DataGenerator DataGen;
int* A = DataGen.GetData();
delete A; // Should do this?

因為實際上，除非文件有很明確地說明這個函式所回傳的記憶體空間不會在 DataGenerator 內部再被用到、需要在外部做釋放，不然其實在外部用 delete 去釋放這塊記憶體空間，其實是很危險的一件事…因為搞不好在外面把他釋放掉後，裡面又跑去使用這塊已經被釋放的記憶體空間，這時候程式就會出問題了。

此外，也還有很多狀況，都有可能會產生「不確定該在哪邊 delete」的問題；例如有多個指標都只到同一塊記憶體空間的時候，也有可能會很難確認到底什麼時候該 delete 他。

而為了要解決這類的問題，C 就在 STL 裡面，引進了「Smart Point」的概念（註 1），用來取代指標做的動態配置的資源管理。在 C 11 的 STL 裡，針對使用需求的不同，提供了三種不同的 Smart Pointer，分別是：

• unique_ptr [MSDN]

  確保一份資源（被配置出來的記憶體空間）只會被一個 unique_ptr 物件管理的 smart pointer；當 unique_ptr 物件消失時，就會自動釋放資源。

• shared_ptr [MSDN]

  可以有多個 shared_ptr 共用一份資源的 smart pointer，內部會記錄這份資源被使用的次數（reference counter），只要還有 shared_ptr 物件的存在、資源就不會釋放；只有當所有使用這份資源的 shared_ptr 物件都消失的時候，資源才會被自動釋放。

• weak_ptr [MSDN]

  搭配 shared_ptr 使用的 smart pointer，和 shared_ptr 的不同點在於 weak_ptr 不會影響資源被使用的次數，也就是說的 weak_ptr 存在與否不代表資源會不會被釋放掉，

這些 smart pointer 都是 template class 的形式，所以適用範圍很廣泛；他們都是被定義在 <memory> 這個 header 檔裡、在 std 這個 namespace 下，如果要使用的話，要記得 include 這個 header 檔。以 Microsoft Visual C 來說，在 VC2010（VC10）就已經都有支援（MSDN，VC11 的說明感覺寫的比較好），可以直接用了～（註 2）

而他們的使用也都相當簡單，基本上只有在宣告的時候要稍微改一下，其他使用方法都是幾乎不用改變的～這些 smart pointer 都有定義 operator* 和 operator->，所以可以把他們當作一般的 pointer 來操作。例如一般的 pointer 大概會是這樣使用：

int* a = new int(0);  // allocate memory
int b = *a;           // dereference
delete a;             // release resource

而使用 smart pointer 的話，則會變成是：

unique_ptr<int> a( new int(0) );
int b = *a;

基本上，就是宣告的方法要做修改，同時也不需要特別去 delete 而已。

而如果是 class 的成員函式的話，基本上改用 smart pointer 的時候，使用方法基本上也是不需要改變的。例如下面是一般的 pointer 的寫法：

vector<int>* pVec = new vector<int>();
pVec->push_back( 1 );
cout << pVec->size() << endl;
delete pVec;

下面則是改用 unique_ptr 的寫法：

unique_ptr< vector<int> > pVec( new vector<int>() );
pVec->push_back( 1 );
cout << pVec->size() << endl;

基本上，在使用上也是一樣，除了宣告和初始化的方法不一樣外，使用上不太需要修改什麼就可以直接用了～如果真的有需要，也可以透過 get() 這個函式來取得本來的指標來進行操作，不過這樣就有點失去使用 smart pointer 的目的就是了。

而如果是要把函式內動態配置的資源傳出來的話，使用 smart pointer 也就不用考慮到該由誰來 delete 的問題，而可以丟給 smart pointer 自己去管理了～

shared_ptr<int> MemoryAlloc()
{
  shared_ptr<int> a( new int(0) );
 
  return a;
}

由於這些 smart pointer 會做一定程度的自動資源管理，不用像本來使用動態記憶體配置的時候，要去刻意透過 delete 來做記憶體空間的釋放，所以在使用 smart pointer 的時候，可以用比較簡單的方法，來避免 memory leak、或是不知道該由誰來釋放記憶體空間的問題了～