前言

內(nèi)存管理，是對(duì)軟件中內(nèi)存資源的分配與釋放進(jìn)行有效管理的方法和理論。

眾所周知，內(nèi)存管理是軟件開發(fā)的一個(gè)重要的內(nèi)容。軟件規(guī)模越大，內(nèi)存管理可能出現(xiàn)的問(wèn)題越多。如果像C語(yǔ)言一樣手動(dòng)地管理內(nèi)存，一會(huì)給開發(fā)人員帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)，二是手動(dòng)管理內(nèi)存的可靠性較差。

Qt為軟件開發(fā)人員提供了一套內(nèi)存管理機(jī)制，用以替代手動(dòng)內(nèi)存管理。

下面開始逐條講述Qt中的內(nèi)存管理機(jī)制。

一脈相承的棧與堆的內(nèi)存管理

了解C語(yǔ)言的同學(xué)都知道，C語(yǔ)言中的內(nèi)存分配有兩種形式：棧內(nèi)存、堆內(nèi)存。

棧內(nèi)存

棧內(nèi)存的管理是由編譯器來(lái)做的，棧上申請(qǐng)的內(nèi)存變量，生存期由所在作用域決定，超出作用域的棧內(nèi)存變量會(huì)被編譯器自動(dòng)釋放。

值得一提的是，作用域的顯著標(biāo)志是一對(duì)大括號(hào)，大括號(hào)內(nèi)部即為作用域內(nèi)部，大括號(hào)外部即為作用域外部。

參考下列代碼：

int main() {int a = 0;return 1; }

變量a在棧內(nèi)存上，main函數(shù)返回時(shí)，作用域結(jié)束，a的內(nèi)存自動(dòng)被釋放。

從以上描述也可以看出，棧內(nèi)存的使用是在編譯器嚴(yán)密監(jiān)管之下進(jìn)行的，遵循嚴(yán)格的作用域規(guī)則，所以棧內(nèi)存的大小、申請(qǐng)時(shí)機(jī)、釋放時(shí)機(jī)都能在編譯的時(shí)候確定。

堆內(nèi)存

堆內(nèi)存是另外一種管理方式。堆內(nèi)存最大的特點(diǎn)是可以動(dòng)態(tài)分配，即在運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行申請(qǐng)。當(dāng)然隨之而來(lái)的弊端也顯而易見：需要開發(fā)人員對(duì)堆內(nèi)存的釋放進(jìn)行嚴(yán)格管理，稍有疏漏會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，甚至軟件崩潰等問(wèn)題。

參考下列代碼：

int main() {// 申請(qǐng)堆內(nèi)存int *intArray = (int *)malloc(100);// 使用堆內(nèi)存...// 釋放堆內(nèi)存free(intArray);return 1; }

如上述代碼，堆內(nèi)存分配的寫法區(qū)別于棧內(nèi)存。C語(yǔ)言中，堆內(nèi)存使用malloc分配，使用free釋放。C++中可以使用new分配，使用delete釋放。

至此，我們介紹了C語(yǔ)言中的內(nèi)存管理方式。我們知道Qt是C++的框架，C++是對(duì)C語(yǔ)言的擴(kuò)展，所以C語(yǔ)言中的內(nèi)存管理方式（堆、棧）和動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理（堆內(nèi)存釋放問(wèn)題）存在的問(wèn)題，在C++中仍然存在。所以Qt中自然而然也有相同的問(wèn)題。說(shuō)起來(lái)可能有點(diǎn)亂，下面用一張圖來(lái)說(shuō)明它們的關(guān)系：

那么，Qt是如何為我們解決動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理問(wèn)題的呢？下面開始正式講解。

使用對(duì)象父子關(guān)系進(jìn)行內(nèi)存管理

使用對(duì)象父子關(guān)系進(jìn)行內(nèi)存管理的原理，簡(jiǎn)述為：

在創(chuàng)建類的對(duì)象時(shí)，為對(duì)象指定父對(duì)象指針。當(dāng)父對(duì)象在某一時(shí)刻被銷毀釋放時(shí)，父對(duì)象會(huì)先遍歷其所有的子對(duì)象，并逐個(gè)將子對(duì)象銷毀釋放。

為了直觀理解上述過(guò)程，以如下代碼為例進(jìn)行說(shuō)明：

#include <QApplication> #include <QLabel>int main(int argc, char *argv[]) {QApplication a(argc, argv);// 創(chuàng)建主窗口QWidget mainWidget;mainWidget.resize(400, 300);// 創(chuàng)建文字標(biāo)簽QLabel *label = new QLabel("Hello World!", &mainWidget);// 顯示主窗口mainWidget.show();return a.exec(); }

運(yùn)行結(jié)果如下：

上述代碼中，mainWidget為主窗口對(duì)象，類型為QWidget；label為子窗口對(duì)象，類型為QLabel *。

注意代碼第13行，在創(chuàng)建label文本標(biāo)簽窗口對(duì)象時(shí)，new QLabel的第二個(gè)參數(shù)即為父對(duì)象地址（參考Qt Assistant中QLabel的說(shuō)明文檔），這里給的值是主窗口的地址。

在main函數(shù)退出時(shí)，mainWidget超出main函數(shù)作用域會(huì)析構(gòu)，析構(gòu)時(shí)會(huì)自動(dòng)刪除label窗口對(duì)象，所以這里，我們不需要再寫一行：delete label; 來(lái)釋放label的內(nèi)存，很方便而且又能節(jié)省時(shí)間精力。

使用引用計(jì)數(shù)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理

引用計(jì)數(shù)

引用計(jì)數(shù)可以說(shuō)是軟件開發(fā)人員必知必會(huì)的知識(shí)點(diǎn)，它在內(nèi)存管理領(lǐng)域的地位是數(shù)一數(shù)二的。

引用計(jì)數(shù)的原理，還是力所能及地用最簡(jiǎn)單的話來(lái)描述：

引用計(jì)數(shù)需要從三個(gè)方面來(lái)全面理解：

使用場(chǎng)景：一個(gè)資源，多處使用（使用即引用）。

問(wèn)題：到底誰(shuí)來(lái)釋放資源。

原理：使用一個(gè)整形變量來(lái)統(tǒng)計(jì)，此資源在多少個(gè)地方被使用，此變量稱為引用計(jì)數(shù)。當(dāng)某處使用完資源以后，將引用計(jì)數(shù)減1。當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，即沒有任何地方再使用此資源時(shí)，真正釋放此資源。這里的資源，在動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理中就是指堆內(nèi)存。

用一句話描述就是：誰(shuí)最后使用資源，誰(shuí)負(fù)責(zé)釋放資源。

我們很容易聯(lián)想到現(xiàn)實(shí)中的例子，就是日常生活中的刷碗問(wèn)題的解決方案，即誰(shuí)最后吃完誰(shuí)刷碗。

需要說(shuō)明的是，引用計(jì)數(shù)不僅僅是在內(nèi)存管理中使用，它是一個(gè)通用的機(jī)制，凡是涉及到資源管理的問(wèn)題，都可以考慮使用引用計(jì)數(shù)。

下面將要介紹基于引用計(jì)數(shù)原理的兩種衍生的機(jī)制：顯式共享和隱式共享。

顯式共享

顯式共享，是僅僅使用引用計(jì)數(shù)控制資源的生命周期的一種共享管理機(jī)制。這種機(jī)制下，無(wú)論資源在何處被引用，自始至終所有引用指向資源都是同一個(gè)。

之所以叫顯式共享，是因?yàn)檫@種共享方式很直接，沒有隱含的操作，如：Copy on Write寫時(shí)拷貝（見隱式共享的相關(guān)說(shuō)明）。如果想要拷貝并建立新的引用計(jì)數(shù)，必須手動(dòng)調(diào)用detach()函數(shù)。

從使用者的角度看，從頭到尾資源只有一份，一個(gè)地方修改了，另一個(gè)地方就能讀取到修改后的資源。

**相關(guān)Qt類：**QExplicitlySharedDataPointer，更加深入的用法和編碼，需要參考Qt文檔中的相關(guān)說(shuō)明及Demo。

隱式共享

隱式共享，也是一種基于引用計(jì)數(shù)的控制資源的生命周期的共享管理機(jī)制。

隱式共享，對(duì)不同的操作有不同的處理：

• 讀取時(shí)，在所有引用的地方使用同一個(gè)資源；

• 在寫入、修改時(shí)自動(dòng)復(fù)制一份資源出來(lái)做修改，自動(dòng)脫離原始的引用計(jì)數(shù)，因?yàn)槭切碌馁Y源，所以要建立新的引用計(jì)數(shù)。這種操作叫Copy on Write寫時(shí)復(fù)制技術(shù)，是自動(dòng)隱含進(jìn)行的。

從使用者的角度看，每個(gè)使用者都像是擁有獨(dú)立的一份資源。在一個(gè)地方修改，修改的只是原始資源的拷貝，不會(huì)影響原始資源的內(nèi)容，自然就不會(huì)影響到其他使用者。所以這種共享方式稱為隱式共享。

相關(guān)Qt類有QString、QByteArray、QImage、QList、QMap、QHash等。

推薦閱讀：Qt文檔中的Implicit Sharing專題。

智能指針

智能指針是對(duì)C/C++指針的擴(kuò)展，同樣基于引用計(jì)數(shù)。

智能指針和顯示共享和隱式共享有何區(qū)別？它們區(qū)別是：智能指針是輕量級(jí)的引用計(jì)數(shù)，它將顯式共享、隱式共享中的引用計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)部分單獨(dú)提取了出來(lái)，制作成模板類，形成了多種特性各異的指針。

例如，QString除了實(shí)現(xiàn)引用計(jì)數(shù)，還實(shí)現(xiàn)了字符串相關(guān)的豐富的操作接口。QList也實(shí)現(xiàn)了引用計(jì)數(shù)，還實(shí)現(xiàn)了列表這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各種操作。可以說(shuō)，顯式共享和隱式共享一般是封裝在功能類中的，不需要開發(fā)者來(lái)管理。

智能指針將引用計(jì)數(shù)功能剝離出來(lái)，為Qt開發(fā)者提供了便捷的引用計(jì)數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。

強(qiáng)（智能）指針

Qt中的強(qiáng)指針實(shí)現(xiàn)類是：QSharedPointer，此類是模板類，可以指向多種類型的數(shù)據(jù)，主要用來(lái)管理堆內(nèi)存。關(guān)于QSharedPointer在Qt Assistant中有詳細(xì)描述。

它的原理和顯式共享一樣：最后使用的地方負(fù)責(zé)釋放刪除資源，如類對(duì)象、內(nèi)存塊。

強(qiáng)指針中的“強(qiáng)”，是指每多一個(gè)使用者，引用計(jì)數(shù)都會(huì)老老實(shí)實(shí)地**+1**。而弱指針就不同，下面就接著講解弱指針。

弱（智能）指針

Qt中的弱指針實(shí)現(xiàn)類是QWeakPointer，此類亦為模板類，可以指向多種類型的數(shù)據(jù)，同樣主要用來(lái)管理堆內(nèi)存。關(guān)于QWeakPointer在Qt Assistant中有詳細(xì)描述。

弱指針只能從強(qiáng)指針QSharedPointer轉(zhuǎn)化而來(lái)，獲取弱指針，不增加引用計(jì)數(shù)，它只是一個(gè)強(qiáng)指針的觀察者，觀察而不干預(yù)。只要強(qiáng)指針存在，弱指針也可以轉(zhuǎn)換成強(qiáng)指針。可見弱指針和強(qiáng)指針是一對(duì)形影不離的組合，通常結(jié)合起來(lái)使用。

局部指針

局部指針，是一種超出作用域自動(dòng)刪除、釋放堆內(nèi)存、對(duì)象的工具。它結(jié)合了棧內(nèi)存管理和堆內(nèi)存管理的優(yōu)點(diǎn)。

Qt中的實(shí)現(xiàn)類有：QScopedPointer，QScopedArrayPointer，具體可以參考Qt Assistant。

觀察者指針

上面說(shuō)弱指針的時(shí)候，講到過(guò)觀察者。觀察者是指僅僅做查詢作用的指針，不會(huì)影響到引用計(jì)數(shù)。

Qt中的觀察者指針是QPointer，它必須指向QObject的子類對(duì)象，才能對(duì)對(duì)象生命周期進(jìn)行觀察。因?yàn)橹挥蠶Object子類才會(huì)在析構(gòu)的時(shí)候通知QPointer已失效。

QPointer是防止懸掛指針（即野指針）的有效手段，因?yàn)樗笇?duì)象一旦被刪除，QPointer會(huì)自動(dòng)置空，在使用時(shí)，判斷指針是否為空即可，不為空說(shuō)明對(duì)象可以使用，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤的問(wèn)題。

總結(jié)

本篇文章講解了Qt中的各種內(nèi)存管理機(jī)制，算是做了一個(gè)比較全面的描述。

之所以說(shuō)是必讀，是因?yàn)楣P者在工作中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)存管理確實(shí)非常重要。Qt內(nèi)存管理機(jī)制是貫穿整個(gè)Qt中所有類的核心線索之一，搞懂了內(nèi)存管理

• 能在腦海中形成內(nèi)存中對(duì)象的布局圖，寫代碼的時(shí)候才能下筆如有神，管理起項(xiàng)目中眾多的對(duì)象才能游刃有余，提高開發(fā)效率；
• 能夠減少bug的產(chǎn)生。有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者應(yīng)該知道，內(nèi)存問(wèn)題很難調(diào)試定位到具體的位置，往往導(dǎo)致奇怪的bug出現(xiàn)。
• 能夠幫助理解Qt眾多類的底層不變的邏輯，學(xué)起來(lái)更容易。

本文只是對(duì)Qt中內(nèi)存管理進(jìn)行了梳理，無(wú)法涵蓋很多細(xì)節(jié)問(wèn)題，讀者需要花一些時(shí)間去詳細(xì)閱讀Qt助手文檔，最好是寫幾個(gè)demo測(cè)試驗(yàn)證。花時(shí)間是值得的，因?yàn)榧夹g(shù)是日新月異的，但是核心的原理變化是不大的。Qt中的內(nèi)存管理思想和方法，在很多語(yǔ)言、框架中（Python、Objective C、JavaScript等等）都有類似的應(yīng)用。

值得一提的是，之所以Qt中具有各種各樣的內(nèi)存管理方式，是因?yàn)樗軌驕p輕開發(fā)者的負(fù)擔(dān)，更加專注于業(yè)務(wù)代碼的實(shí)現(xiàn)，而不是被內(nèi)存問(wèn)題折騰的焦頭爛額。不使用Qt中的內(nèi)存管理，只用C的手動(dòng)內(nèi)存管理仍然可以寫可以運(yùn)行的代碼！前提是不考慮成本問(wèn)題，并假設(shè)開發(fā)者在內(nèi)存問(wèn)題上不會(huì)犯錯(cuò)。總之一句話，不要對(duì)立各種技術(shù)，每種技術(shù)都有適用的場(chǎng)景，拋開場(chǎng)景談方法都是不理智的。

后面會(huì)根據(jù)需要專門講解一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，敬請(qǐng)關(guān)注！

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本文首發(fā)自公眾號(hào)“Qt未來(lái)工程師”，歡迎關(guān)注。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【精华】详解Qt中的内存管理机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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