C的智能指针/安全内存管理？

Posted 2023-02-25

【中文标题】C的智能指针/安全内存管理？

【英文标题】：Smart pointers/safe memory management for C?

【发布时间】：2010-10-22 10:31:55

【问题描述】：

我和我认为许多其他人在使用智能指针来包装 C++ 中的不安全内存操作（使用 RAII 等）方面取得了巨大成功。但是，当您有析构函数、类、运算符重载等时，包装内存管理更容易实现。

对于使用原始 C99 编写代码的人，您可以在哪里指出（不是双关语）来帮助安全内存管理？

谢谢。

【参考方案1】：

这个问题有点老了，但我想我会花时间链接到我的smart pointer library 用于 GNU 编译器（GCC、Clang、ICC、MinGW 等）。

这个实现依赖于清理变量属性，一个 GNU 扩展，在超出范围时自动释放内存，因此，不是 ISO C99，而是带有 GNU 扩展的 C99。

例子：

simple1.c:

#include <stdio.h>
#include <csptr/smart_ptr.h>

int main(void) 
    smart int *some_int = unique_ptr(int, 1);

    printf("%p = %d\n", some_int, *some_int);

    // some_int is destroyed here
    return 0;

编译和 Valgrind 会议：

$ gcc -std=gnu99 -o simple1 simple1.c -lcsptr
$ valgrind ./simple1
==3407== Memcheck, a memory error detector
==3407== Copyright (C) 2002-2013, and GNU GPL\'d, by Julian Seward et al.
==3407== Using Valgrind-3.10.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==3407== Command: ./simple1 
==3407==
0x53db068 = 1
==3407==
==3407== HEAP SUMMARY:
==3407==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==3407==   total heap usage: 1 allocs, 1 frees, 48 bytes allocated
==3407==
==3407== All heap blocks were freed -- no leaks are possible
==3407==
==3407== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==3407== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 0 from 0)

【参考方案2】：

在原始 C 中处理智能指针很困难，因为您没有语言语法来支持使用。我见过的大多数尝试都没有真正起作用，因为你没有在对象离开作用域时运行析构函数的优势，而这正是智能指针起作用的原因。

如果您真的担心这一点，您可能想考虑直接使用garbage collector，并完全绕过智能指针要求。

【讨论】：

@Calmarius 他们的工作方式多种多样。见：en.wikipedia.org/wiki/Garbage_collection_(computer_science)

我明白了。我问了你链接的GC。它声称它可以在未修改的 C 程序上工作，只替换 malloc 和 realloc。但是它如何定位指向分配块的指针呢？它们可以在程序中到处复制。

它似乎扫描分配的块并尝试将所有整数值解释为指针。那么它的效率对于大块来说可能很糟糕。

垃圾收集器链接已损坏。

【参考方案3】：

您可能要考虑的另一种方法是Apache uses 的池化内存方法。如果您有与请求或其他短期对象相关联的动态内存使用情况，这将非常有效。您可以在请求结构中创建一个池，并确保始终从池中分配内存，然后在处理完请求后释放池。一旦你用了一点，它听起来就不像它那么强大了。它几乎和 RAII 一样好。

【参考方案4】：

您不能在 C 中使用智能指针，因为它没有提供必要的语法，但您可以通过练习避免泄漏。分配资源后立即编写资源释放代码。所以每当你写一个malloc，你应该立即在清理部分写相应的free。

在 C 中，我经常看到“GOTO cleanup”模式：

int foo()

    int *resource = malloc(1000);
    int retVal = 0;
    //...
    if (time_to_exit())
    
        retVal = 123;
        goto cleanup;
    
cleanup:
    free(resource);
    return retVal;

在 C 语言中，我们也使用很多上下文来分配东西，同样的规则也可以应用：

int initializeStuff(Stuff *stuff)

    stuff->resource = malloc(sizeof(Resource));
    if (!stuff->resource) 
    
        return -1; ///< Fail.
    
    return 0; ///< Success.


void cleanupStuff(Stuff *stuff)

    free(stuff->resource);

这类似于对象的构造函数和析构函数。只要您不将分配的资源分配给其他对象，它就不会泄漏，指针也不会悬空。

编写一个自定义分配器来跟踪分配并写入泄漏块atexit 并不难。

如果您需要提供指向已分配资源的指针，您可以为其创建包装上下文，并且每个对象都拥有一个包装上下文而不是资源。这些包装器共享资源和一个计数器对象，该对象跟踪使用情况并在没有人使用时释放对象。这就是 C++11 的 shared_ptr 和 weak_ptr 的工作原理。这里写得更详细：How does weak_ptr work?

【参考方案5】：

像splint 或Gimpel PC-Lint 这样的静态代码分析工具在这里可能会有所帮助——您甚至可以通过将它们连接到您的自动“持续集成”风格的构建服务器中来使它们具有适度的“预防性”。 （你确实有其中之一，对吧？:grin:)

这个主题还有其他（一些更昂贵的）变体......

【参考方案6】：

您可以定义宏（例如 BEGIN 和 END）来代替大括号并触发自动销毁正在退出其范围的资源。这要求所有此类资源都由智能指针指向，该指针还包含指向对象析构函数的指针。在我的实现中，我在堆内存中保留了一个智能指针堆栈，在进入范围时记住堆栈指针，并在范围退出时调用记忆堆栈指针上方的所有资源的析构函数（END 或宏替换返回）。即使使用了 setjmp/longjmp 异常机制，这也能很好地工作，并且也清除了 catch 块和引发异常的范围之间的所有中间范围。实现见https://github.com/psevon/exceptions-and-raii-in-c.git。

【参考方案7】：

如果您在 Win32 中编码，您也许可以使用 structured exception handling 来完成类似的事情。你可以这样做：

foo() 
    myType pFoo = 0;
    __try
    
        pFoo = malloc(sizeof myType);
        // do some stuff
    
    __finally
    
        free pFoo;
    

虽然不如 RAII 简单，但您可以将所有清理代码收集在一个地方并保证其被执行。

【参考方案8】：

好的，这是您的选择。理想情况下，您将它们结合起来以获得更好的结果。在 C 的情况下，偏执是可以的。

编译时间：

在 GCC 中使用清理变量属性。之后你必须坚持使用 GCC。这限制了代码的可移植性，因为您只能针对存在 GCC 的平台。 在 Windows 上使用 SEH（结构化异常处理）。这进一步限制了您的可移植性，因为您必须使用 Microsoft 编译器。如果您的目标是专门的 Windows，那么它将适合您。 使用静态代码分析工具揭示潜在的内存泄漏。不能完美地工作，但可以帮助发现微不足道的泄漏。不会影响您的便携性。

运行时：

使用调试内存分配库，它用自己的实现替换 malloc/free 并跟踪内存使用情况。这样您就可以看到已分配但从未释放的块。我在 Solaris 上取得了成功（将尝试记住它的名称）。 使用垃圾收集器。在修复我没有源代码的漏洞非常多的 C 应用程序时，我对 Hans-Boehm GC 有过积极的体验。我可以看到内存消耗是如何攀升的，然后在 GC 完成工作时急剧下降。

【参考方案9】：

Sometimes i use this approach and it seems good :)

Object *construct(type arg, ...)

    Object *__local = malloc(sizeof(Object));
    if(!__local)
        return NULL;
    __local->prop_a = arg;
    /* blah blah */


 // constructor

void destruct(Object *__this)

   if(__this->prop_a)free(this->prop_a);
   if(__this->prop_b)free(this->prop_b);

 // destructor

Object *o = __construct(200);
if(o != NULL)
   ;;

// use

destruct(o);

/*
  done !
*/