Ciallo～(∠・ω< )⌒☆ ~ 今天，我将和大家一起学习C++中的智能指针 ~
❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️
澄岚主页：椎名澄嵐-优快云博客
C++基础篇专栏：https://blog.youkuaiyun.com/2302_80328146/category_12761842.html
C++进阶篇专栏：https://blog.youkuaiyun.com/2302_80328146/category_12761846.html
❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️❄️
目录
壹 智能指针的使用场景分析
在下面程序中，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后面的delete没有得到执行，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本⾝也可能抛异常，连续的两个new和下面的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很麻烦。智能指针放到这样的场景⾥里面就让问题简单多了。
贰 RAII和智能指针的设计思路
RAII是ResourceAcquisition Is Initialization的缩写，他是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利用对象⽣命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这里的资源可以是内存、⽂件指针、网络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给一个对象，接着控制对资源的访问，资源在对象的⽣命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。
智能指针类除了满足RAII的设计思路，还要方便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀ 样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，方便访问资源。
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
// RAII
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
cout << "delete[] " << _ptr << endl;
delete[] _ptr;
}
// 重载运算符，模拟指针的行为，方便访问资源
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator[](size_t i)
{
return _ptr[i];
}
private:
T* _ptr;
};void Func()
{
SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
SmartPtr<int> sp3 = new int[10];
SmartPtr<int> sp4 = new int[10];
SmartPtr<pair<int, int>> sp5 = new pair<int, int>[10];
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
sp1[5] = 50;
sp5->first = 1;
sp5->second = 1;
}叁 C++标准库智能指针的使用
C++标准库中的智能指针都在< memory >这个头文件下面，我们包含就可以是使用了， 智能指针有好几种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的行为，原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。
auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给 拷贝对象，这是一个非常糟糕的设计，因为他会到被拷贝对象悬空，访问报错的问题，C++11设计 出新的智能指针后，强烈建议不要使用auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁止使用这个智能指针的。
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
~Date()
{
}
};
int main()
{
auto_ptr<Date> ap1(new Date);
// 拷贝时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
auto_ptr<Date> ap2(ap1);
// 空指针访问，ap1对象已经悬空
// ap1->_year++;
return 0;
}
unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯一指针，他的特点的不支持拷 贝，只支持移动。如果不需要拷贝的场景就⾮常建议使用他。
unique_ptr<Date> up1(new Date);
// 不支持拷⻉
//unique_ptr<Date> up2(up1);
// 支持移动，但是移动后up1也悬空，所以使用移动要谨慎
unique_ptr<Date> up3(move(up1));shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是支持拷贝， 也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用他了。底层是用引用计数的方式实现的。
shared_ptr<Date> sp1(new Date);
// 支持拷⻉
shared_ptr<Date> sp2(sp1);
shared_ptr<Date> sp3(sp2);
cout << sp1.use_count() << endl;
sp1->_year++;
cout << sp1->_year << endl;
cout << sp2->_year << endl;
cout << sp3->_year << endl;
weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上面的智能指针，他不支持RAII，也就意味着不能⽤它直接管理资源，weak_ptr的产生本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引用导致内存泄漏的问题。
智能指针析构时默认是进行delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指 针管理，析构时就会崩溃。智能指针支持在构造时给一个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调用对象，这个可调用对象中实现你想要的释放资源的方式，当构造智能指针时，给了定制的删除器， 在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。
class Fclose
{
public:
void operator()(FILE* ptr)
{
cout << "fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
}
};
template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
int main()
{
std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
std::shared_ptr<Date[]> sp2(new Date[10]);
// lambda表达式做删除器(建议)
std::shared_ptr<Date> sp3(new Date[10], [](Date* ptr) {delete[] ptr; });
// 函数指针做删除器
std::shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
// 实现其他资源管理的删除器
shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
cout << "fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
});
std::unique_ptr<Date> up1(new Date);
std::unique_ptr<Date[]> up2(new Date[10]);
// 定制删除器 建议仿函数
std::unique_ptr<FILE, Fclose> up3(fopen("Test.cpp", "r"));
auto fcloseFunc = [](FILE* ptr) {fclose(ptr); };
std::unique_ptr<FILE, decltype(fcloseFunc)> up4(fopen("Test.cpp", "r"), fcloseFunc);
return 0;
}因为new[ ]经常使用，所以为了简洁⼀点， unique_ptr和shared_ptr都特化了一份[ ]的版本。
std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
std::shared_ptr<Date[]> sp2(new Date[10]);
std::unique_ptr<Date> up1(new Date);
std::unique_ptr<Date[]> up2(new Date[10]);
shared_ptr 除了支持用指向资源的指针构造，还支持直接构造。
shared_ptr 和 make_shared 用初始化资源对象的值 unique_ptr 都支持了operatorbool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。
shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使⽤explicit修饰，防⽌普通指针隐式类型转换成智能指针对象。
int main()
{
shared_ptr<Date> sp1(new Date(2024, 7, 24));
shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2024, 7, 24);
auto sp3 = make_shared<Date>(2024, 7, 24);
shared_ptr<Date> sp4;
// if (sp1.operator bool())
if (sp1)
cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
if (!sp4)
cout << "sp1 is nullptr" << endl;
// 报错 (不能隐式类型转换)
shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 7, 24);
unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 7, 24);
return 0;
}肆 智能指针的原理
4.1 auto_ptr和unique_ptr的模拟
这两个智能指针的实现比较简单。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象，这种不建议使用。unique_ptr的思路是不支持拷贝。
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
// 管理权转移
sp._ptr = nullptr;
}
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
// 检测是否为⾃⼰给⾃⼰赋值
if (this != &ap)
{
// 释放当前对象中资源
if (_ptr)
delete _ptr;
// 转移ap中资源到当前对象中
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针⼀样使⽤
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};template<class T>
class unique_ptr
{
public:
explicit unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针⼀样使⽤
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
unique_ptr(unique_ptr<T> && sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
sp._ptr = nullptr;
}
unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T> && sp)
{
delete _ptr;
_ptr = sp._ptr;
sp._ptr = nullptr;
}
private:
T* _ptr;
};4.2 shared_ptr的模拟
引用计数用来标记一块资源有多少个智能指针管理，这里⼀份资源就需要⼀个引用计数，所以引用计数才用静态成员的方式是无法实现的，要使用堆上动态开辟的方式，构造智能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引用计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引用计数，shared_ptr对象析构时就--引用计数，引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后一个管理资源的对象，则析构资源。
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
shared_ptr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
{}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
: _ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
{
(*_pcount)++;
}
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
// if (this != &sp) 可能两个智能指针指向同一块资源
if (_pcount != sp._pcount) // 防止自己给自己赋值
{
// 如果是最后一份则在被覆盖前要销毁
// 不是则引用计数--
if (--(*_pcount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pcount;
}
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
(*sp._pcount)++;
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
// 如果是最后一份则要销毁
// 不是则引用计数--
if (--(*_pcount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pcount;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
};有删除器时：
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
{}
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _del(del)
{}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _del(sp._del)
{
++(*_pcount);
}
void release()
{
if (--(*_pcount) == 0)
{
// 最后⼀个管理的对象，释放资源
_del(_ptr);
delete _pcount;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
++(*_pcount);
_del = sp._del;
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release();
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
int use_count() const
{
return *_pcount;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
//atomic<int>* _pcount;
function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
};伍 shared_ptr和weak_ptr
5.1 shared_ptr循环引用问题
shared_ptr大多数情况下管理资源非常合适，支持RAII，也支持拷贝。但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因，并且学会使用weak_ptr解决这种问题。
- 右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
- _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
- 左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。
- _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
至此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用，谁都不会释放就形成了循环引用，导致内存泄漏。
把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的 引用计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引用，解决了这里的问题~
struct ListNode
{
int _data;
// 这里改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
// 不增加n2的引用计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了
std::weak_ptr<ListNode> _next;
std::weak_ptr<ListNode> _prev;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};5.2 weak_ptr
weak_ptr不支持RAII，也不支持访问资源，所以weak_ptr构造时不支持绑定到资源，只支持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引用计数，那么就可以解决上述的循环引用问题。
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}
private:
T* _ptr = nullptr;
};weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的 shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr支持expired检查指向的 资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引用计数，weak_ptr想访问资源时，可以调用lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。
int main()
{
std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
std::weak_ptr<string> wp = sp1;
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
sp1 = make_shared<string>("222222");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
sp2 = make_shared<string>("333333");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
wp = sp1;
//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
auto sp3 = wp.lock();
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
*sp3 += "###";
cout << *sp1 << endl;
return 0;
}陆 shared_ptr的线程安全问题
shared_ptr的引用计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进行shared_ptr的拷 贝析构时会访问修改引用计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。
shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr 管，它也管不了，应该有外层使用shared_ptr的人进行线程安全的控制。
柒 C++11和boost中智能指针的关系
Boost库是为C++语言标准库提供扩展的一些C++程序库的总称，Boost社区建立的初衷之⼀就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
- C++98中产生了第⼀个智能指针auto_ptr。
- C++boost给出了更实⽤的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等.
- C++TR1，引⼊了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。
- C++11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的 scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。
捌 内存泄漏
8.1 什么是内存泄漏
什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存，⼀般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：普通程序运行一会就结束了出现内存泄漏问题也不⼤，进程正常结束，⻚表的映射关系解除，物理内存也可以释放。长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务、长时间运行的客户端等等，不断出现内存泄漏会导致可用内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。
8.2 如何避免内存泄漏
- 尽量使用智能指针来管理资源，如果自己场景比较特殊，采用RAII思想自己造个轮子管理。
- 定期使用内存泄漏工具检测，尤其是每次项目快上线前，不过有些工具不够靠谱，或者是收费。
- 内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
~ 完 ~
扫一扫
1384
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
