C++智能指针

最新推荐文章于 2023-01-05 13:24:48 发布

张伟林_VillainJan

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分类专栏： C++ 文章标签： C++

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C++11引入智能指针方便管理堆内存，可避免内存泄漏等问题。智能指针利用RAII技术封装普通指针，有shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr三种。介绍了它们的使用方法，如初始化、拷贝赋值等，还提及循环引用问题，最后给出简单智能指针的设计实现思路。

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智能指针的作用

C++程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。
程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。
使用普通指针，容易造成堆内存泄露(忘记释放)，二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。

理解智能指针需要从下面三个层次：

从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII(资源获取即初始化)的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。如下：

//C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：
Animal a = new Animal();
Animal b = a;
//你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样：
Animal a;
Animal b = a;
//由于C++的对象语义特性却是生成了两个对象

智能指针的使用

智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件< memory >中，分别为shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。

shared_ptr的使用

shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。
每构造一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。
shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
1）智能指针的初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化，也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，因为一个是类一个是指针。
例如：

std::shared_ptr<int> p4 = new int(1); //error

2）拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。
3）可通过get函数获取原始指针。
4）注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存。
5）注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    {
        int a = 10;
        std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a); //make_shared()初始化，推荐使用的安全初始化方式
        std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //通过复制构造
        std::cout << ptra.use_count() << std::endl;

        int b = 20;
        int *pb = &a;
        //std::shared_ptr<int> ptrb = pb;  //error，不可直接将普通指针赋值
        std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);
        ptra2 = ptrb; //assign
        pb = ptrb.get(); //获取原始指针

        std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
        std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
    }
}

unique_ptr的使用
　　
unique_ptr唯一拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象(通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现)。
相比与原始指针，unique_ptr拥有RAII特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。
离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。
在unique_ptr生命周期内，可以改变其所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过move方法转移所有权。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    {
        std::unique_ptr<int> uptr(new int(10));  //绑定动态对象
        //std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr;  //不能赋值
        //std::unique_ptr<int> uptr2(uptr);  //不能拷贝
        std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //转换所有权
        uptr2.release(); //释放所有权
    }
    //超过uptr的作用域，内存释放
}

weak_ptr的使用

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->，它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。
weak_ptr可以从一个shared_ptr或另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。
使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count() == 0，但效率更快，表示被观测的资源(shared_ptr管理的资源)已经不复存在。
weak_ptr可以使用其成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象，从而操作资源。但当expired() == true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    {
        std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
        std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl; //输出1

        std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
        std::cout << wp.use_count() << std::endl; //输出1，引用计算不增加

        if(!wp.expired()){ //expired() == false，即引用不为0
            std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr
            *sh_ptr = 100;
            std::cout << wp.use_count() << std::endl; //输出2，引用增加1
        }

        cout << * sh_ptr << endl; //输出100
		cout << * sh_ptr2 << endl; //输出100
    }
    //delete memory
}

循环引用
考虑一个简单的对象建模——父母与子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。

在Java 里边很好写，不用担心内存泄漏，也不用担心空悬指针，只要正确初始化myChild和myParent，不用担心出现访问错误。一个handle是否有效，只需要判断其是否non null。

public class Parent
{
　　private Child myChild;
}
public class Child
{
　　private Parent myParent;
}

在C++里边就要为资源管理费一番脑筋。如果使用原始指针作为成员，Child和Parent由谁释放？那么如何保证指针的有效性？如何防止出现空悬指针？
这些问题是C++面向对象编程麻烦的问题，现在可以借助smart pointer把对象语义(pointer)转变为值(value)语义，shared_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。
但是这个模型存在循环引用的问题，注意其中一个指针应该为weak_ptr。

//原始指针的做法，容易出错
#include <iostream>
#include <memory>

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    Child* myChild;
public:
    void setChild(Child* ch) {
        this->myChild = ch;
    }

    void doSomething() {
        if (this->myChild) {
        }
    }

    ~Parent() {
        delete myChild;
    }
};

class Child {
private:
    Parent* myParent;
public:
    void setPartent(Parent* p) {
        this->myParent = p;
    }

    void doSomething() {
        if (this->myParent) {
        }
    }

    ~Child() {
        delete myParent;
    }
};

int main() {
    {
        Parent* p = new Parent;
        Child* c =  new Child;
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        delete c; //only delete one
    }
    return 0;
}

//循环引用内存泄露的问题

#include <iostream>
#include <memory>

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    std::shared_ptr<Child> ChildPtr; 
public:
    void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
        this->ChildPtr = child;
    }

    void doSomething() {
        if (this->ChildPtr.use_count()) {
        }
    }

    ~Parent() {
    }
};

class Child {
private:
    std::shared_ptr<Parent> ParentPtr; 
public:
    void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
        this->ParentPtr = parent;
    }

    void doSomething() {
        if (this->ParentPtr.use_count()) {
        }
    }

    ~Child() {
    }
};

int main() {
    std::weak_ptr<Parent> wpp;
    std::weak_ptr<Child> wpc;

    {
        std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        std::shared_ptr<Child> c(new Child);

        std::cout << p.use_count() << std::endl; // 1
        std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1

        p->setChild(c); //循环引用c
        c->setPartent(p); //循环引用p

        std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
        std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2

        wpp = p;
        wpc = c;
    }

    //出了块后将进行释放，但在释放过程中将丢失构成循环的shared_ptr指针，将造成内存泄漏
    std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 1
    std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 1
    return 0;
}

//正确的做法

#include <iostream>
#include <memory>

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    //std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
    std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
public:
    void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
        this->ChildPtr = child;
    }

    void doSomething() {
        //new shared_ptr
        if (this->ChildPtr.lock()) {
        }
    }

    ~Parent() {
    }
};

class Child {
private:
    std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
    void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
        this->ParentPtr = parent;
    }

    void doSomething() {
        if (this->ParentPtr.use_count()) {

        }
    }

    ~Child() {
    }
};

int main() {
    std::weak_ptr<Parent> wpp;
    std::weak_ptr<Child> wpc;

    {
        std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        std::shared_ptr<Child> c(new Child);
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        wpp = p;
        wpc = c;
        std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
        std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
    }

    std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 0，没有造成内存泄漏
    std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 0，没有造成内存泄漏
    return 0;
}

智能指针的设计和实现

下面是一个简单智能指针的demo。
智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。
每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数(如果引用计数为减至0，则删除对象)，并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数(如果引用计数减至0，则删除基础对象)。
智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。
这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象(有限作用域实现)析构函数释放内存。

#include <iostream>
#include <memory>

template<typename T>
class SmartPointer {
private:
    T* _ptr;
    size_t* _count;
public:
    SmartPointer(T* ptr = nullptr) :
    _ptr(ptr) {
        if (_ptr) {
            _count = new size_t(1);
        } else {
            _count = new size_t(0);
        }
    }

    SmartPointer(const SmartPointer& ptr) { //复制构造函数
        if (this != &ptr) { //当复制不同对象时
            this->_ptr = ptr._ptr;
            this->_count = ptr._count;
            (*this->_count)++; //计数加1
        }
    }

    SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
        if (this->_ptr == ptr._ptr) {
            return *this;
        }

        //先对原指向进行处理
        if (this->_ptr) {
            (*this->_count)--;
            if (this->_count == 0) {
                delete this->_ptr;
                delete this->_count;
            }
        }

        //对新指向进行操作
        this->_ptr = ptr._ptr;
        this->_count = ptr._count;
        (*this->_count)++;
        return *this;
    }

    T& operator*() { //取值，返回引用
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return *(this->_ptr);

    }

    T* operator->() { //取地址，返回指针
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return this->_ptr;
    }

    ~SmartPointer() {
        (*this->_count)--;
        if (*this->_count == 0) {
            delete this->_ptr;
            delete this->_count;
        }
    }

    size_t use_count(){
        return *this->_count;
    }
};

int main() {
    {
        SmartPointer<int> sp(new int(10));
        SmartPointer<int> sp2(sp);
        SmartPointer<int> sp3(new int(20));
        sp2 = sp3;
        std::cout << sp.use_count() << std::endl; // 1
        std::cout << sp3.use_count() << std::endl; // 2
    }
    //delete operator
}