C++：基于RAII思想的智能指针

最新推荐文章于 2024-11-05 20:56:53 发布
原创 最新推荐文章于 2024-11-05 20:56:53 发布 · 318 阅读 · 3 ·
CC 4.0 BY-SA版权
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
文章标签：

#RAII #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。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

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。

11.7：C++ RAII和智能指针的结合！（课程共8400字，4个代码举例）
小兔子平安
07-29 96
在本课程中，我们首先介绍了RAII的基本概念和原理，并通过代码示例来演示如何使用RAII来管理资源。具体来说，我们从文件句柄、动态分配的内存资源、锁和OpenGL资源等方面来介绍了如何使用RAII来管理资源。我们还介绍了RAII对象的生命周期和作用域，并讨论了如何在RAII对象中使用异常处理和错误处理。
C++：RAII思想和智能指针（auto_ptr，unique_ptr，shared_ptr）
ETalien_的博客
04-04 1149
智能指针 有的时候使用malloc或者new创建的对象忘记释放就会导致内存泄漏，又或者此时释放语句之前有一段代码是抛异常的话，那么执行流就会乱跳，导致内存也无法释放。 比如这一段代码，at越界访问会导致抛异常，导致执行流跳出从而没有释放指针p。 void Func() { int* p = new int; vector<int> v; v.at(0) = 10;//会抛异常 ...
qt 如何 指针 自动 释放内存_QList指针中的clear后不会自动释放内存，需要之前调用qDeleteAll()...
weixin_33246767的博客
02-21 1224
QList 的释放分两种情况：1.T的类型为非指针，这时候直接调用clear()方法就可以释放了，看如下测试代码#include#include#includeintmain(intargc, char*argv[]){ QCoreApplication a(argc, argv); typedef struct_test{ intid; QString n...
传递消息的方式有四个取值
CatEatApple的专栏
10-29 704
传递消息的方式有四个取值： Qt::DirectConnection When emitted, the signal is immediately delivered to the slot. 假设当前有4个slot连接到QPushButton::clicked(bool)，当按钮被按下时，QT就把这4个slot按连接的时间顺序调用一遍。显然这种方式不能跨线程（传递消息）。 Qt::
qt C++中指针自动释放内存及程序中的内存操作、管理
u011555996的博客
11-12 5188
c++
C 内存分配
qq_42668783的博客
10-23 193
c语言内存管理 变量： auto（内存变量）默认 register变量（寄存器变量）：代码运行的更快，但会占据寄存器资源 作为单一的值 <= int 长度，对它不用&取地址 static变量：默认值为0，它只初始化一次 extern 全局变量，它可被其它文件访问 C/C++共定义了4个存储区间 1.代码区：存放指令代码（只读） 2.静态存储区：存放全局变量 static 修饰的静态变量 字符串常量 未初始化的全局变量以及静态变量 存放在bss段 程序执行之前自动清零 初始化的全局变量存放在数据
QT笔记- 窗口（widget）指针自动释放规则
qq_43058397的博客
01-01 2095
如果指明了parent窗口，那么该窗口将会随parent窗口自动释放 如下： QDialog * dialog = new QDialog(this); dialog->show(); dialog内存将会在this窗口关闭时自动释放！
【C++进阶】RAII思想＆智能指针
weixin_64906519的博客
04-14 1084
这里我们也就讲完了智能指针了，智能指针还是很实用的。到这里我们C++的大部分重难点也就结束了。如果你到了这里，首先恭喜你坚持学习到了现在并且感受到了C++的独特之处。但是我们的学习还远没有结束，下一节我们会讲解类的设计模式中的常用的模式之一：单例模式。希望大家可以持续关注。
【C++智能指针管理】智能指针使用场景及RAII设计思路：C++标准库智能指针详解与内存泄露预防文档的主要内容
最新发布
06-07
接着分别讲解了C++标准库提供的几种智能指针：`auto_ptr`（已弃用）、`unique_ptr`（唯一所有权）、`shared_ptr`（共享所有权）和`weak_ptr`（弱引用），并对比它们的特点和适用场景。其中重点讨论了`shared_ptr`...
c++：智能指针
make_day_day_up的博客
11-05 3174
智能指针（smart pointer）是一种用来防止内存泄漏的编程技术，它利用对象管理资源的方式（又名RAII——Resource Acquisition Is Initialization），即利用对象析构函数在生命周期结束时自行调用的特性，让编译器自行释放动态开辟的空间。内存泄漏通常发生在使用了new或malloc等函数动态分配内存后，忘记了对应的delete或free调用，或者是因为逻辑错误导致这些调用未能执行。这种情况下，程序占用的内存会逐渐增加，最终可能导致系统资源耗尽，程序崩溃或运行缓慢。
Qt的智能指针们——Qt
xiaopei_yan的博客
05-11 1487
前言 原理 代码 结束语
QT学习：窗口关闭时自动释放指针内存
weixin_45138590的博客
10-24 1459
//前提是以指针形式创建的窗口 LoginDialog *login = new LoginDialog(this); login->setAttribute(Qt::WA_DeleteOnClose); //若是这样创建的，无需也不能这样设置 LoginDialog login;
C++11基础：智能指针
weixin_44156099的博客
10-02 246
智能指针 智能指针是一个类。 在编写程序时，申请的空间在函数结束时忘记释放，造成内存泄漏。 使用智能指针可以很大程度上的避免这个问题，智能指针可以在函数结束时自动释放内存空间，不需要手动释放内存空间。 因为智能指针是一个类，当超出了类的实例对象的作用域时，会自动调用对象的析构函数，析构函数会自动释放资源。 智能指针的种类 C++11目前有三种智能指针 unique_ptr,shared_ptr, weak_ptr auto_ptr已经被C++11弃用。shared_pt是最常用得智能指针。 一 auto_p
qt 如何 指针 自动 释放内存_QT中手动释放堆中的对象（new 出来的）
weixin_33480732的博客
01-14 4840
Qt内存自动释放有两个前提条件：1. 必须是QObject的派生类 2.必须指定了parent对象 即：Qt 中 父亲被删除的时候会自动销毁他的孩子。所以如果New出来的并且没有父亲。那么则需要手动删除它。需要，不然那块空间就一直占用了QLabel* lb=new QLabel();delete (lb);if(lb==NULL){}delete(this);//this是继承Qweiget基类的...
Qt内存释放
weixin_34873452的博客
07-25 1599
Qt 指定父对象后 子对象如果是动态分配空间new,不需要手动delete,系统会自动释放、 前提条件时父子对象直接或者间接的继承与QObject类 运行： 关闭运行 说明在析构mywidget对象的时候将按钮对象也进行了析构，这个在c++中是没有的（如果在mybttuon中不设置parent时，是不会将mybutton销毁的。） C++ 调用析构的三种...
new 和 malloc 区别
my_angle2016的博客
09-29 572
new 和 malloc区别 1. 申请的内存所在位置 new操作符从自由存储区（free store）上为对象动态分配内存空间，而malloc函数从堆上动态分配内存。自由存储区是C++基于new操作符的一个抽象概念，凡是通过new操作符进行内存申请，该内存即为自由存储区。而堆是操作系统中的术语，是操作系统所维护的一块特殊内存，用于程序的内存动态分配，C语言使用malloc从堆上分配内存，使用free释放已分配的对应内存。 那么自由存储区是否能够是堆（问题等价于new是否能在堆上动态分配内存），这取决
指针操作：【申请】、【释放】、【YUV2BGR】、【QT保存图像】
小_小实习生的博客
05-20 1065
【指针的申请】： unsigned char *PRGB = new unsigned char[640*480*3]; //申请640*480*3个字节的图像内存 //PRGB=(unsigned char*)malloc(640*480*3*sizeof(unsigned char));malloc 和 new 都可以申请内存，二选一. 【指针的释放】： delete [
Qt容器QMap,QList等包含指针时的内存释放
weixin_42073232的博客
12-31 6541
如果容器内部包含指针;则在释放内存的时候,需要先调用qDeleteAll(T&);来释放容器内指针类型value所指向的堆内存,再调用clear()函数; struct student{ QString strName; int nHaveMoney[20]; }; QMap<int,student*> m_MapStudent1; //该调用很快内存泄漏崩溃 void Widget::fortest102() {
10_Qt的内存自动释放
a2604539133的博客
07-05 1240
一Qt的控件parent作用 二Qt的建议一、Qt的控件parent作用 如果控件指定了parent，则在释放父控件（不是真正的继承关系，只是依托）时候，会先释放自己子孙的控件。 想想：如果子孙的空间在父控件之前就示范了，会发生什么事情呢？ 其实这个要分两种情况考虑；如果是在堆上创建的控件则不会出错，如果是在栈上开辟的控件则会报错。 下面就是在栈上开辟的控件label，出错了。
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付：10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值