C++:基于RAII思想的智能指针

本文详细介绍了C++中智能指针的概念与实现原理,包括RAII资源管理思想、auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr等不同类型的智能指针及其应用场景,并讨论了shared_ptr的线程安全及循环引用问题。

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前言

C++没有垃圾回收机制,new或者malloc的资源都需要我们手动进行释放。但有时也会发生忘记释放的问题,这就会造成内存泄漏或异常安全的问题。

C++就引入了智能指针对上述问题进行解决。

一:RAII

RAII 是一种利用对象生命周期来控制程序资源(如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等)的简单技术。

在对象构造时获取资源,接着控制对资源的访问使之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。我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。

  1. 不需要显式地释放资源。
  2. 采用这种方式,对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

代码演示:

#include<iostream>
using namespace std;

// 类型不确定
template<class T>
class SmartPtr{
	// 帮我们管理资源的释放
public:
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	~SmartPtr(){
		if (_ptr){
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
	}
private:
	T* _ptr;
};

int div(){
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0){
		throw invalid_argument("除0错误");
	}
	return a / b;
}

void func(){
	int* ptr = new int;
	// 无论函数是正常结束还是抛异常,都会导致sp对象生命周期到了之后,调用析构函数。
	SmartPtr<int> sp(ptr);
	cout << div() << endl;
}

int main(){
	try{
		func();
	}
	catch (exception& e){
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

二:智能指针

RAII 是一种资源托管的思想,智能指针是依靠RAII 的思想实现的。

2.1 智能指针的原理
  1. RAII特性
  2. 具有像指针一样的行为,重载了operator* 和 operator->
2.2 std::auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。

代码示例:

#include<iostream>
using namespace std;

namespace WJL{
	template<class T>
	class auto_ptr{
		// 帮我们管理资源的释放
	public:
		// 构造函数保存资源
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}

		// 析构函数释放资源
		~auto_ptr(){
			if (_ptr){
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
				_ptr = nullptr;
			}
		}

		// 管理权转移
		auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
			:_ptr(ap._ptr)
		{
			ap._ptr = nullptr;
		}

		// 赋值 s1 = s2
		auto_ptr<T>& operator=(const auto_ptr<T>& ap){
			if (this != &ap){
				auto_ptr<T> PtrTemp(ap);

				T* pTemp = PtrTemp._ptr;
				PtrTemp._ptr = _ptr;
				_ptr = pTemp;
			}

			return *this;
		}

		T& operator*(){
			return *_ptr;
		}

		T* operator->(){
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
	};
}

int main(){
	WJL::auto_ptr<int> sp1(new int);
	WJL::auto_ptr<int> sp2 = sp1;

	return 0;
}

auto_ptr的实现原理:管理权转移的思想,若发生拷贝,就将ap中资源转移到当前对象中,然后另ap与其所管理资源断开联系。

这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题。

但是我们再从原理层面分析,拷贝后将ap对象的指针置为空,会导致ap对象悬空,通过ap对象访问资源的时候就会出现问题。

2.3 std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr智能指针。

unique_ptr对应boost的scoped_ptr,并且实现原理是参考boost中的实现的。

代码示例:

#include<iostream>
using namespace std;

namespace WJL{
	// 防拷贝(简单粗暴)
	template<class T>
	class unique_ptr{
		// 帮我们管理资源的释放
	public:
		// 构造函数保存资源
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}

		// 析构函数释放资源
		~unique_ptr(){
			if (_ptr){
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
				_ptr = nullptr;
			}
		}

		unique_ptr(unique_ptr<T>& up) = delete;
		unique_ptr<T>& operator = (unique_ptr<T>& up) = delete;

		T& operator*(){
			return *_ptr;
		}

		T* operator->(){
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
	};
}

int main(){
	WJL::unique_ptr<int> up1(new int);
	// WJL::unique_ptr<int> up2 = up1;

	return 0;
}

unique_ptr的设计思路非常的简单粗暴:unique_ptr防拷贝,也就是不让拷贝和赋值。

但是,在需要拷贝的场景下使用就会有问题。

2.4 std::shared_ptr

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr智能指针。

#include<iostream>
using namespace std;

namespace WJL{
	// 支持拷贝的智能指针,shared_ptr。
	template<class T>
	class shared_ptr{
		// 帮我们管理资源的释放
	public:
		// 构造函数保存资源
		shared_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
			, p_count(new int(1))
		{}

		shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, p_count(sp.p_count)
		{
			++(*p_count);
		}

		shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp){
			if (this != &sp){
				if (--(*p_count) == 0){
					delete _ptr;
					delete p_count;
				}

				_ptr = sp._ptr;
				p_count = sp.p_count;
				++(*p_count);
			}
			return *this;
		}

		// 析构函数释放资源
		~shared_ptr(){
			if (--(*p_count) == 0 && _ptr){
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
				_ptr = nullptr;

				delete p_count;
				p_count = nullptr;
			}
		}

		T& operator*(){
			return *_ptr;
		}

		T* operator->(){
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* p_count; // 引用计数(记录有多少个对象一起共享管理资源)
	};
}

int main(){
	WJL::shared_ptr<int> sp1(new int);
	WJL::shared_ptr<int> sp2 = sp1;

	return 0;
}

shared_ptr的原理:是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

shared_ptr在其内部,给每个资源都维护了着一个计数器,用来记录该份资源被几个对象共享。 在对象被销毁时(也就是析构函数调用),就说明自己不使用该资源了,对象的引用计数减一。如果引用计数是0,就说明自己是最后一个使用该资源的对象,必须释放该资源。如果不是0,就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源,不能释放该资源,否则其他对象就成野指针了。

三:std::shared_ptr的线程安全问题

shared_ptr线程安全分为两个方面:

  1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的,两个线程对智能指针的引用计数同时加或减,这个操作不是原子的,可能导致资源未被释放或程序崩溃的问题。
  2. 智能指针管理的对象存放在堆上,两个线程中同时去访问,会导致线程安全问题。

代码示例:

对引用计数加减进行加锁操作,来保证线程安全。

namespace WJL{
	template<class T>
	class shared_ptr{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			, _pmtx(new mutex)
		{}

		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pcount(sp._pcount)
			, _pmtx(sp._pmtx)
		{
			add_ref_count();
		}

		// sp1 = sp4
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){
			if (this != &sp){
				// 减减引用计数,如果我是最后一个管理资源的对象,则释放资源
				release();
				// 我开始跟你一起管理资源
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				_pmtx = sp._pmtx;

				add_ref_count();
			}
			return *this;
		}

		void add_ref_count(){
			_pmtx->lock();
			++(*_pcount);
			_pmtx->unlock();
		}

		void release(){
			bool flag = false;
			_pmtx->lock();
			if (--(*_pcount) == 0){
				if (_ptr){
					cout << "delete:" << _ptr << endl;
					delete _ptr;
					_ptr = nullptr;
				}

				delete _pcount;
				_pcount = nullptr;
				flag = true;
			}
			_pmtx->unlock();

			if (flag == true){
				delete _pmtx;
				_pmtx = nullptr;
			}
		}

		~shared_ptr(){
			release();
		}

		int use_count(){
			return *_pcount;
		}

		T* get_ptr() const{
			return _ptr;
		}

		T& operator*(){
			return *_ptr;
		}

		T* operator->() {
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		// 记录有多少个对象一起共享管理资源,最后一个析构释放资源
		int* _pcount;
		mutex* _pmtx;
	};
}

四:std::shared_ptr的循环引用问题

循环引用的分析:

  1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点,引用计数变成1,我们不需要手动delete。
  2. node1的_next指向node2,node2的_prev指向node1,引用计数变成2。
  3. _next析构了,node2就释放了,_prev析构了,node1就释放了。
  4. _next属于node1的成员,node1释放了,_next才会析构,而node1由_prev管理,_prev属于node2成员。

这就叫循环引用,谁也不会释放。

在这里插入图片描述

4.1 循环引用的解决方案

解决方案:在引用计数的场景下,把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了

原理剖析:node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数

代码演示:

namespace WJL{
	// 严格来说weak_ptr不是智能指针,因为他没有RAII资源管理机制
	// 专门解决shared_ptr的循环引用问题
	template<class T>
	class weak_ptr{
	public:
		weak_ptr() = default;

		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get_ptr())
		{}

		weak_ptr<T>& operator = (const shared_ptr<T>& sp){
			_ptr = sp.get_ptr();

			return *this;
		}

		T& operator*(){
			return *_ptr;
		}

		T* operator->(){
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
	};
}
小结

C++没有垃圾回收机制,申请的资源需要释放是一个问题,尤其遇到异常安全问题,稍不注意就会出现内存泄漏的问题。内存泄露会导致程序可用的内存越来越少,使程序处于瘫痪状态,所以我们应该尽量避免内存泄漏的问题。

这就发展出来基于RAII思想的智能指针。

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