问题

C++ 的智能指针不就基本解决了野指针问题了吗?为什么还要吹捧rust的内存安全?

回答
你问了一个非常关键的问题,而且问得非常实在。确实,C++ 的智能指针,尤其是 `std::unique_ptr` 和 `std::shared_ptr`,在很大程度上解决了 C++ 中常见的野指针和内存泄漏问题。这玩意儿在 C++ 世界里,堪称“救世主”般的存在。那么,为什么大家对 Rust 的内存安全这么推崇,甚至有点“吹捧”的意思呢?这背后其实有很多更深层次的原因,不是一句“智能指针解决了一切”就能概括的。

咱们就来掰扯掰扯,把这层窗户纸捅破。

C++ 智能指针的伟大之处:这是毋庸置疑的

先得承认,C++ 的智能指针是语言设计上的一大飞跃。它们的核心思想是RAII (Resource Acquisition Is Initialization),也就是把资源的生命周期管理(比如内存分配和释放)和对象的生命周期绑定在一起。

`std::unique_ptr`:独占所有权
一旦一个对象被 `unique_ptr` 拥有,就再也无法被复制(除非是移动)。这就像一个唯一的“主人”。
当 `unique_ptr` 离开作用域时,它所拥有的内存就会被自动释放。这意味着,你再也不用手动 `delete` 了,大大降低了忘记 `delete` 导致内存泄漏的风险。
它还能有效地处理动态数组,通过 `std::unique_ptr`.

`std::shared_ptr`:共享所有权
允许多个 `shared_ptr` 指向同一个对象,它们通过一个引用计数器来管理对象的生命周期。
当最后一个 `shared_ptr` 被销毁时,对象才会被释放。
这解决了 C++ 中另一个常见的问题:当多个地方都需要访问同一个对象,但又不知道谁是最后一个需要它的使用者时。

为什么说智能指针“基本”解决了问题,而不是“完全”解决了?

这里就触及到问题的核心了。“基本解决”和“完全解决”之间,隔着一片“细节的海洋”。

1. 循环引用问题 (C++ `std::shared_ptr`)
虽然 `shared_ptr` 解决了“谁最后用”的问题,但它自己引入了一个新的陷阱:循环引用。
想象一下,对象 A 拥有一个 `shared_ptr` 指向对象 B,而对象 B 又有一个 `shared_ptr` 指向对象 A。
即使你把 A 和 B 的外部引用都清除了,它们之间仍然相互持有 `shared_ptr`,引用计数器永远不会归零,导致内存泄漏。
要解决这个问题,C++ 引入了 `std::weak_ptr`。`weak_ptr` 允许你引用一个对象,但不会增加它的引用计数。你需要主动检查 `weak_ptr` 是否仍然指向一个有效的对象,然后才能通过 `lock()` 得到一个临时的 `shared_ptr` 来访问它。
这带来了额外的复杂性。开发者需要时刻警惕循环引用的可能性,并且正确使用 `weak_ptr`,这本身就是一个容易出错的环节。

2. 遗留的裸指针和不当使用
C++ 毕竟是一门兼容性极强的语言,它允许你自由地在智能指针和裸指针之间转换。比如,`ptr.get()` 给你返回底层的裸指针。
如果开发者在代码中仍然大量使用裸指针,或者将裸指针传递给第三方库,或者在智能指针的生命周期结束后仍然试图使用 `get()` 返回的裸指针,那么野指针问题依然会卷土重来。
例如,你有一个 `unique_ptr`,它管理着一块内存。如果你在 `unique_ptr` 销毁前,将它 `get()` 出来的裸指针传递给一个函数,而那个函数持有这个裸指针的副本,那么当 `unique_ptr` 释放内存后,那个裸指针就变成了野指针,一旦被访问,程序就会崩溃或出现不可预测的行为。

3. 所有权和生命周期管理的“显式”与“隐式”
智能指针是显式管理资源的。你得明确地创建 `unique_ptr` 或 `shared_ptr`,并且在合适的时机(或者依赖于其析构函数)去管理它们。
这仍然需要开发者对程序的执行流程、作用域和对象生命周期有相当深入的理解。在复杂的系统中,追踪每一个智能指针的生命周期并非易事。

4. 性能开销
`shared_ptr` 的引用计数操作(原子加减)是有性能开销的,尤其是在高并发场景下。
虽然 C++20 引入了 `std::atomic_ref` 等,但底层机制的原子性操作总是伴随着一定的性能成本。

Rust 内存安全的“吹捧”之处:它解决了什么更根本的问题?

Rust 的内存安全,不是简单地通过“智能指针”这一种机制来“管理”内存,而是通过一套编译器强制执行的、零成本抽象的规则来预防内存安全问题的发生。这才是其革命性的地方。

1. 所有权系统 (Ownership System)
Rust 的核心是所有权系统。每个值在 Rust 中都有一个明确的“所有者”。
当所有者离开作用域时,这个值就会被释放。
一次只能有一个所有者。 这是最关键的一条规则。当值被移动时,旧的所有者就失效了。
这直接杜绝了“悬挂指针”(Dangling Pointer)和“双重释放”(Double Free)的问题,因为只有一个所有者在负责释放。你无法在内存被释放后还能访问它,也无法在它还未被释放时又释放一次。

2. 借用检查器 (Borrow Checker)
所有权系统本身还不够,Rust 还引入了借用检查器。它是 Rust 编译器的一部分,负责在编译时分析代码中数据的访问模式。
借用检查器强制执行以下规则:
在任何给定时间,你可以有:
一个可变引用 (`&mut T`),或者
任意数量的不可变引用 (`&T`)
你不能同时拥有可变引用和不可变引用,也不能在有可变引用的同时有不可变引用。
这不仅仅是“管理”指针,而是从根本上防止了数据竞争和内存不安全访问。
防止野指针: 如果一个引用指向的数据被释放了(比如它的所有者离开了作用域),借用检查器会在编译时就发现并报错,因为那个引用已经不再有效了。
防止数据竞争: 通过“一个可变引用,或多个不可变引用”的规则,Rust 确保了在多线程环境下,不会出现多个线程同时修改同一块数据而导致不可预测结果的情况。这是 C++ 很难完美解决的,即使有 `std::mutex` 等同步原语,也需要开发者手动管理,容易出错。

3. 生命周期注解 (`'a`)
当编译器无法自动推断引用和数据的生命周期关系时(尤其是在函数返回引用时),Rust 会要求你添加生命周期注解。
这使得生命周期的关系更加明确,并且由编译器强制验证。例如,一个函数如果返回一个引用,编译器会要求你指明这个返回的引用最多能活多久,以保证它不会指向一个已经被释放的数据。这比 C++ 中依靠开发者自觉来避免悬挂指针要严格和可靠得多。

4. 零成本抽象
Rust 的内存安全特性(所有权、借用检查器)是在编译时实现的,并且不产生运行时开销。一旦代码通过了编译器的检查,其性能就与手动管理的、没有运行时开销的 C 代码相当。
这与 C++ 的智能指针不同,`shared_ptr` 有运行时引用计数的开销。

总结:为什么 Rust 被“吹捧”?

C++ 的智能指针是优秀的工具,它们极大地提高了 C++ 程序员的效率和代码的安全性。但它们仍然是将“安全性”的责任很大程度上交给了开发者,需要在复杂系统中小心翼翼地维护。

Rust 则通过一套一套完整的、由编译器强制执行的规则体系(所有权、借用检查器、生命周期注解)来预防内存安全问题。它将“安全性”的责任从开发者转移到了编译器身上。一旦 Rust 代码编译通过,你就很大程度上可以确信它在内存安全方面不会出问题,这是一种质的飞跃,而不是量的提升。

你可以这样理解:

C++ 智能指针: 提供了一种更安全的驾照和车辆(RAII),但你仍然需要自己遵守交通规则,比如不闯红灯、不酒驾。一旦违规,后果自负。
Rust 的内存安全: 提供了一个自动驾驶系统(所有权、借用检查器),它在底层就帮你规避了几乎所有的交通违规行为。即使你不知道所有交通规则,只要你按照这个自动驾驶系统的指示操作,就几乎不可能发生事故。

所以,当人们“吹捧” Rust 的内存安全时,他们吹捧的不是一种简单的技术,而是一种将内存安全这一核心难题,从开发者头疼的运行时问题,转化为编译器严苛但可控的编译时检查的全新编程范式。这种范式解放了开发者,让他们能更专注于业务逻辑,而不是时刻提防着内存安全这个隐藏的“定时炸弹”。这对于系统编程、网络安全等领域来说,价值是巨大的。

网友意见

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极端理想的情况是这样的。

然而现实中:

1:你需要维护大量c++03甚至更老的代码,给它fix或者叠加功能……

2:你需要引用到很多已完成的代码库,而这些库的接口甚至是纯c的。

3:在以前,有时候会有一些逻辑/技巧会把裸指针转为整形进行运算和处理:例如说我见过一个rbt实现,把指针的最低bit拿来指示颜色(因为内存对齐的缘故,从堆里申请出来的内存,最低bit一般都为0)。还有本机多进程服务,把在共享内存的指针当做整形传给对方(双方在mmap时指定同一个基址)。

遇到了这些,你连改写都不一定那么容易改写。

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Rust 我不太了解,但 Smart Pointer 并没有从根本上解决 C++ 的内存安全问题。说白了,程序员用不好、不会用,依然轻轻松松造成内存安全问题,随手就来几个例子:

1、std::shared_ptr 被提前释放:

       void process(std::shared_ptr<int> svp) {} int main(int argc, char** argv) {   int* vp = new int(10);   process(std::shared_ptr<int>(vp));   std::cout << *vp << std::endl;  // pointer "vp" has already been released.   return 0; }      

2、使用栈对象初始化智能指针,造成悬挂指针:

       auto process() {   int v = 10;   int* vp = &v;   return std::shared_ptr<int>(vp); } int main(int argc, char** argv) {   std::cout << *process() << std::endl;  // dangling pointer.   return 0; }      

3、std::shared_ptr 造成的循环引用:

       struct C {   ~C() { std::cerr << "destructor
"; }   std::shared_ptr<C> sp; }; int main(int argc, char **argv) {   auto p = std::make_shared<C>(), q = std::make_shared<C>();   p->sp = q;   q->sp = p;   return 0; }      

4、不当用法造成的潜在内存泄露:

       bool complicatedCompute() { /* ... */ return true; }  // potential memory leak; auto process(std::shared_ptr<int>, bool) {} int main(int argc, char** argv) {   process(std::shared_ptr<int>(new int(10)), complicatedCompute());   return 0; }      

BTW. 除了上述想到的几种场景,其他的还包括 std::shared_ptr 与 std::weak_ptr 联合使用不当所可能导致的潜在内存问题:比如,使用 std::make_shared 方式构造的 std::shared_ptr 对象,其控制块内存只会在对应 std::weak_ptr 引用计数完全清零时,才会将堆内一次性分配的整块内存完全释放。因此这就可能造成内存释放的不连续性,中间产生的 time gap 在某些应用场景下可能会带来潜在问题。另外,new + std::shared_ptr 构造方式虽然不存在上述问题,并且支持自定义 deleter,但却可能导致潜的在内存泄露以及智能指针对象构造效率的问题。因此,在 C++ 中至少暂时还没有特别完美的方案来真正“智能地”管理内存和指针,并同时兼顾性能、安全、使用成本、维护成本等诸多方面问题。

最后补充一句:C++11 曾经有过标准以支持“最小垃圾回收及安全派生指针”,但很可惜,据我所知,从 GUN 到 Clang 目前还没有任何一款编译器支持。

Update:

贴下上图链接:zh.cppreference.com/w/c

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