C++11学习笔记——Dynamic memory management

最新推荐文章于 2024-08-03 09:44:32 发布

原创最新推荐文章于 2024-08-03 09:44:32 发布 · 609 阅读

0 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#c++11 #智能指针

本文深入探讨C++中的智能指针概念，包括shared_ptr、unique_ptr和weak_ptr的特点及使用技巧。通过实例展示如何避免常见的陷阱，并确保内存资源得到正确管理。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

相比前面的类型支持（Type Support）部分，这部分的内容编程里相对来说使用频率更高，比如智能指针。

1.Smart pointers 智能指针

包含4个内容，unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr/auto_ptr，其中前三个是C++11后纳入标准库的，更早的在boost或者<tr1/memory>中也有支持。

1.1 shared_ptr<T>

应该算是最常用的智能指针了，几乎所有的实现都采用在堆（heap）上放个计数值（count）的办法，当引用计数为0时则销毁其管理的资源，基本使用方法这里不再做多的说明。下面主要用代码的方式做一些特别说明：

1）避免如下的情况

A *a = new A(1);
{
    std::shared_ptr<A> p1(a);
    std::shared_ptr<A> p2(a);
}

p1和p2的引用资源实际上是分开的！当程序离开{}块的时候，p1对象离开{}块后引用计数编程0，将指针a的资源释放；p2对象离开{}块后执行同样的操作，但是指针a已经被析构掉了！！指针a这样就被析构两次，程序出现堆错误。正确的用法是如下：

std::shared_ptr<A> p1(new A(1));
std::cout << p1.use_count() << std::endl;</span>

{//这里只是为了测试引用计数加的大括号
    std::shared_ptr<A> p2(p1);
    std::cout << p1.use_count() << std::endl;
}
std::cout << p1.use_count() << std::endl;</span>

2）线程安全

shared_ptr引用计数本身是安全且无锁的，但对象的读写则不是，实际上 shared_ptr 有两个数据成员，一个用于保存指向实际对象的指针，另一个则是引用计数器。在进行shared_ptr赋值、拷贝构造、析构（写操作）的时候分了两步——先将指针指向实际对象，然后在引用计数器上+1，这样必然导致操作不是原子的。在多线程同时读写同一个智能指针对象时就必须加锁：

std::shared_ptr<A> p(new A);
std::shared_ptr p1;

// thread A
p1 = p; //读取p

// thread B
p.reset(); //如果线程A读取p的同时线程B对p进行了写操作，那么会导致未知行为。

类似的还有同时写的时候也要加锁：

std::shared_ptr<int> p;

// thread A
p.reset(new int(1));

// thread B
p.reset(new int(2)); //同时写入

或者：

// thread A
p1 = p; //增加一个引用计数

// thread B
// p同时已经离开了作用域，其管理的资源已经被析构了

1.2 unique_ptr<T>

唯一指针，unique_ptr<T>的更换保管对象必须由std::move或者reset()成员函数去实现。相比原有的std::auto_ptr<T>不会莫名其妙的发现原有的保管对象被销毁的情况（更为安全）。相比于shared_ptr<T>,该指针可以支持动态数组。
文档里对几种典型应用作了描述，概括起来就是对“生命周期内要求被唯一指针指向”的对象进行管理。说的比较抽象，本人倒是经常在开辟动态数组的时候使用：

int size = 10;
std::unique_ptr<int[]> p1(new int[size]);

当p1离开作用域时，会自动调用delete[]对开辟的内存进行释放，这也从某方面贯彻了《Effective C++》里所讲的以对象管理内存资源的思想，省的new了之后忘记delete造成内存泄露。当然复杂点的场景也可以自己制定deleter。

1.3 weak_ptr<T>

配合shared_ptr<T>使用的一个智能指针，除了常规的拷贝构造外只能从一个已经存在的shared_ptr<T>上去构造。目的是防止shared_ptr<T>指向的对象被异步销毁后，再次使用造成访问已经销毁的内存。典型应用如菱形创建shared_ptr<T>。

A *a = new A(1);
{
    std::shared_ptr<A> p1(a);
    std::shared_ptr<A> p2(a);
}

由于p1销毁后p2不知道a的资源已经被释放了，造成再次访问出现问题，但是感觉正常来讲一般不会出现该情况。本人曾写过一个脱离框架的面向对象的定时器，由于Timer里面需要指定回调，为了解耦方便，本人用了std::function<void ()>去代替，但是如果指定了回调函数timeout_，那么假如指向的回调函数所在的对象被销毁了（而且函数内部使用的资源也被销毁了），那么当计时到了的时候调用timeout_就会出问题。为了解决该问题本人想了个偷懒的办法，既想很好的解耦又想方便代码的书写，于是就使用shared_ptr和weak_ptr，代码如下：

class Timer
{
public:
    void setTimeout(const std::shared_ptr<std::function<void ()> >& func)
    { timeout_ = func; }
    const std::weak_ptr<std::function<void ()> >& timeout() const
    { return timeout_; }

private:
     std::weak_ptr<std::function<void ()> > timeout_; 
};

timeoutEvent(int timerfd)
{
    ...
        //如果回调对象被删除了，根据weak_ptr的expired进行判断是否回调对象已经没了
        if (!iter->second->timeout().expired())
        {
            (*iter->second->timeout().lock())();
        }
    ...
}