【精华】详解Qt中的内存管理机制

前言

内存管理，是对软件中内存资源的分配与释放进行有效管理的方法和理论。

众所周知，内存管理是软件开发的一个重要的内容。软件规模越大，内存管理可能出现的问题越多。如果像C语言一样手动地管理内存，一会给开发人员带来巨大的负担，二是手动管理内存的可靠性较差。

Qt为软件开发人员提供了一套内存管理机制，用以替代手动内存管理。

下面开始逐条讲述Qt中的内存管理机制。

一脉相承的栈与堆的内存管理

了解C语言的同学都知道，C语言中的内存分配有两种形式：栈内存、堆内存。

栈内存

栈内存的管理是由编译器来做的，栈上申请的内存变量，生存期由所在作用域决定，超出作用域的栈内存变量会被编译器自动释放。

值得一提的是，作用域的显著标志是一对大括号，大括号内部即为作用域内部，大括号外部即为作用域外部。

参考下列代码：

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

变量a在栈内存上，main函数返回时，作用域结束，a的内存自动被释放。

从以上描述也可以看出，栈内存的使用是在编译器严密监管之下进行的，遵循严格的作用域规则，所以栈内存的大小、申请时机、释放时机都能在编译的时候确定。

堆内存

堆内存是另外一种管理方式。堆内存最大的特点是可以动态分配，即在运行时可以根据需要进行申请。当然随之而来的弊端也显而易见：需要开发人员对堆内存的释放进行严格管理，稍有疏漏会导致内存泄漏，甚至软件崩溃等问题。

参考下列代码：

int main()
{
    // 申请堆内存
    int *intArray = (int *)malloc(100);
    
    // 使用堆内存...
    
    // 释放堆内存
    free(intArray);
 	return 1;   
}

如上述代码，堆内存分配的写法区别于栈内存。C语言中，堆内存使用malloc分配，使用free释放。C++中可以使用new分配，使用delete释放。

至此，我们介绍了C语言中的内存管理方式。我们知道Qt是C++的框架，C++是对C语言的扩展，所以C语言中的内存管理方式（堆、栈）和动态内存管理（堆内存释放问题）存在的问题，在C++中仍然存在。所以Qt中自然而然也有相同的问题。说起来可能有点乱，下面用一张图来说明它们的关系：

那么，Qt是如何为我们解决动态内存管理问题的呢？下面开始正式讲解。

使用对象父子关系进行内存管理

使用对象父子关系进行内存管理的原理，简述为：

在创建类的对象时，为对象指定父对象指针。当父对象在某一时刻被销毁释放时，父对象会先遍历其所有的子对象，并逐个将子对象销毁释放。

为了直观理解上述过程，以如下代码为例进行说明：

#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    // 创建主窗口
    QWidget mainWidget;
    mainWidget.resize(400, 300);

    // 创建文字标签
    QLabel *label = new QLabel("Hello World!", &mainWidget);

    // 显示主窗口
    mainWidget.show();
    return a.exec();
}

运行结果如下：

上述代码中，mainWidget为主窗口对象，类型为QWidget；label为子窗口对象，类型为QLabel *。

注意代码第13行，在创建label文本标签窗口对象时，new QLabel的第二个参数即为父对象地址（参考Qt Assistant中QLabel的说明文档），这里给的值是主窗口的地址。

在main函数退出时，mainWidget超出main函数作用域会析构，析构时会自动删除label窗口对象，所以这里，我们不需要再写一行：delete label; 来释放label的内存，很方便而且又能节省时间精力。

使用引用计数对内存进行管理

引用计数

引用计数可以说是软件开发人员必知必会的知识点，它在内存管理领域的地位是数一数二的。

引用计数的原理，还是力所能及地用最简单的话来描述：

引用计数需要从三个方面来全面理解：

1. 使用场景：一个资源，多处使用（使用即引用）。

2. 问题：到底谁来释放资源。

3. 原理：使用一个整形变量来统计，此资源在多少个地方被使用，此变量称为引用计数。当某处使用完资源以后，将引用计数减1。当引用计数为0时，即没有任何地方再使用此资源时，真正释放此资源。这里的资源，在动态内存管理中就是指堆内存。

用一句话描述就是：谁最后使用资源，谁负责释放资源。

我们很容易联想到现实中的例子，就是日常生活中的刷碗问题的解决方案，即谁最后吃完谁刷碗。

需要说明的是，引用计数不仅仅是在内存管理中使用，它是一个通用的机制，凡是涉及到资源管理的问题，都可以考虑使用引用计数。

下面将要介绍基于引用计数原理的两种衍生的机制：显式共享和隐式共享。

显式共享

显式共享，是仅仅使用引用计数控制资源的生命周期的一种共享管理机制。这种机制下，无论资源在何处被引用，自始至终所有引用指向资源都是同一个。

之所以叫显式共享，是因为这种共享方式很直接，没有隐含的操作，如：Copy on Write写时拷贝（见隐式共享的相关说明）。如果想要拷贝并建立新的引用计数，必须手动调用detach()函数。

从使用者的角度看，从头到尾资源只有一份，一个地方修改了，另一个地方就能读取到修改后的资源。

**相关Qt类：**QExplicitlySharedDataPointer，更加深入的用法和编码，需要参考Qt文档中的相关说明及Demo。

隐式共享

隐式共享，也是一种基于引用计数的控制资源的生命周期的共享管理机制。

隐式共享，对不同的操作有不同的处理：

• 读取时，在所有引用的地方使用同一个资源；

• 在写入、修改时自动复制一份资源出来做修改，自动脱离原始的引用计数，因为是新的资源，所以要建立新的引用计数。这种操作叫Copy on Write写时复制技术，是自动隐含进行的。

从使用者的角度看，每个使用者都像是拥有独立的一份资源。在一个地方修改，修改的只是原始资源的拷贝，不会影响原始资源的内容，自然就不会影响到其他使用者。所以这种共享方式称为隐式共享。

相关Qt类有QString、QByteArray、QImage、QList、QMap、QHash等。

推荐阅读：Qt文档中的Implicit Sharing专题。

智能指针

智能指针是对C/C++指针的扩展，同样基于引用计数。

智能指针和显示共享和隐式共享有何区别？它们区别是：智能指针是轻量级的引用计数，它将显式共享、隐式共享中的引用计数实现部分单独提取了出来，制作成模板类，形成了多种特性各异的指针。

例如，QString除了实现引用计数，还实现了字符串相关的丰富的操作接口。QList也实现了引用计数，还实现了列表这种数据结构的各种操作。可以说，显式共享和隐式共享一般是封装在功能类中的，不需要开发者来管理。

智能指针将引用计数功能剥离出来，为Qt开发者提供了便捷的引用计数基础设施。

强（智能）指针

Qt中的强指针实现类是：QSharedPointer，此类是模板类，可以指向多种类型的数据，主要用来管理堆内存。关于QSharedPointer在Qt Assistant中有详细描述。

它的原理和显式共享一样：最后使用的地方负责释放删除资源，如类对象、内存块。

强指针中的“强”，是指每多一个使用者，引用计数都会老老实实地**+1**。而弱指针就不同，下面就接着讲解弱指针。

弱（智能）指针

Qt中的弱指针实现类是QWeakPointer，此类亦为模板类，可以指向多种类型的数据，同样主要用来管理堆内存。关于QWeakPointer在Qt Assistant中有详细描述。

弱指针只能从强指针QSharedPointer转化而来，获取弱指针，不增加引用计数，它只是一个强指针的观察者，观察而不干预。只要强指针存在，弱指针也可以转换成强指针。可见弱指针和强指针是一对形影不离的组合，通常结合起来使用。

局部指针

局部指针，是一种超出作用域自动删除、释放堆内存、对象的工具。它结合了栈内存管理和堆内存管理的优点。

Qt中的实现类有：QScopedPointer，QScopedArrayPointer，具体可以参考Qt Assistant。

观察者指针

上面说弱指针的时候，讲到过观察者。观察者是指仅仅做查询作用的指针，不会影响到引用计数。

Qt中的观察者指针是QPointer，它必须指向QObject的子类对象，才能对对象生命周期进行观察。因为只有QObject子类才会在析构的时候通知QPointer已失效。

QPointer是防止悬挂指针（即野指针）的有效手段，因为所指对象一旦被删除，QPointer会自动置空，在使用时，判断指针是否为空即可，不为空说明对象可以使用，不会产生内存访问错误的问题。

总结

本篇文章讲解了Qt中的各种内存管理机制，算是做了一个比较全面的描述。

之所以说是必读，是因为笔者在工作中发现，内存管理确实非常重要。Qt内存管理机制是贯穿整个Qt中所有类的核心线索之一，搞懂了内存管理

• 能在脑海中形成内存中对象的布局图，写代码的时候才能下笔如有神，管理起项目中众多的对象才能游刃有余，提高开发效率；
• 能够减少bug的产生。有经验的开发者应该知道，内存问题很难调试定位到具体的位置，往往导致奇怪的bug出现。
• 能够帮助理解Qt众多类的底层不变的逻辑，学起来更容易。

本文只是对Qt中内存管理进行了梳理，无法涵盖很多细节问题，读者需要花一些时间去详细阅读Qt助手文档，最好是写几个demo测试验证。花时间是值得的，因为技术是日新月异的，但是核心的原理变化是不大的。Qt中的内存管理思想和方法，在很多语言、框架中（Python、Objective C、JavaScript等等）都有类似的应用。

值得一提的是，之所以Qt中具有各种各样的内存管理方式，是因为它能够减轻开发者的负担，更加专注于业务代码的实现，而不是被内存问题折腾的焦头烂额。不使用Qt中的内存管理，只用C的手动内存管理仍然可以写可以运行的代码！前提是不考虑成本问题，并假设开发者在内存问题上不会犯错。总之一句话，不要对立各种技术，每种技术都有适用的场景，抛开场景谈方法都是不理智的。

后面会根据需要专门讲解一些细节问题，敬请关注！

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