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。
- 不需要显式地释放资源。
- 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
- RAII特性
- 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:
- 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。
- 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:
- 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。
- node1的_next指向node2,node2的_prev指向node1,引用计数变成2。
- _next析构了,node2就释放了,_prev析构了,node1就释放了。
- _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。
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。