C++智能指针

最新推荐文章于 2025-03-29 19:43:47 发布
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分类专栏： C++ 文章标签： c++ c语言
Copyright © Mr.Dragon 本代码仅供个人学习、参考，不能用作任何商业用途。如果您独具慧眼发现了错误的地方，还望于留言区不吝赐教。
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/mwl_learning/article/details/120610767
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01 shared_ptr 共享的智能指针

shared_ptr 使用引用计数每个 shared_ptr 的拷贝都指向相同的内存，在最后一个 shared_ptr 析构时它指向的内存才会被释放。

shared_ptr 在多线程中线程中的 shared_ptr 共享同一个对象的所有权，若在多个线程中访问同一个 shared_ptr 而不同步，且任意线程使用 shared_ptr 的非 const 成员函数，将会产生数据竞争，使用原子函数的 shared_ptr 特化能用于避免数据竞争（Delete in C++20）。

shared_ptr 在实现上有两个核心的成员：一个是指向资源对象的指针变量，另一个是指向引用计数的指针变量。
shared_ptr 就是通过指向引用计数的指针变量实现实现多个 shared_ptr 对象共享一个 count 计数的目的，即引用计数。
原生的 shared_ptr 在多线程中的读写是不安全的，因为读写操作不具有原子性，所以多线程中使用 shared_ptr 一定要加锁。

  • 成员函数

    (constructor)           // 构造新的 shared_ptr
(destructor)            // 如果没有更多的 shared_ptr 指向持有的对象则析构对象
operator=               // 对 shared_ptr 进行赋值
swap                    // 交换管理的对象，不会改变引用计数
reset                   // 替换所管理的对象，原指针指向的对象引用计数减一
get                     // 返回存储的指针
operator*               // 解引用存储的指针
operator->              // 同上
use_count               // 返回 shared_ptr 所指对象的引用计数
unique                  // 检查所管理的对象是否仅由当前的 shared_ptr 管理
get_deleter             // 返回指定类型中的删除其（如果有的话）
operator bool           // 检查是否有被管理的对象
owner_before            // 提供基于拥有者的共享指针排序

  • 非成员函数

    std::make_shared             // 创建管理一个对象的共享指针
std::allocate_shared         // 创建一个用于分配器分配的对象共享指针
std::static_pointer_cast     // 应用对象的显式类型转换到被存储指针
std::dynamic_pointer_cast
std::const_pointer_cast
std::reinterpret_pointer_cast
std::swap(std::shared_ptr)  
                        // 特化的 std::swap 算法
relational operators    // 在 shared_ptr 对象 lhs 和 rhs 之间或 shared_ptr 和 nullptr 之间执行适当的关系比较操作
ostream operator<<      // 输入输出接口

  • 注意事项

    • 应该优先使用 std::make_shared 构造智能指针，因为它更高效。
    • 不能将一个原始指针直接赋值给一个智能指针。
    • 不要使用同一个原始指针初始化多个 shared_ptr：
      int* p1 = new int(10);
std::shared_ptr<int> sp1(p1);       // ok
std::shared_ptr<int> sp2(p1);       // error
    • 要避免循环引用，否则会造成内存泄漏（产生了类似死锁互相等待的情况）。
    • 线程不安全。

  • 应用实例

    /***************************************************************
 * (constructor)
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1;               // 默认构造，没有获得的任何指针的所有权，引用计数为 0
std::shared_ptr<int> sp2(nullptr);      // 作用同上
std::shared_ptr<int> sp3(new int);      // 拥有指向 int 对象指针的所有权，引用计数为 1
std::shared_ptr<int> sp4(new int, std::default_delete<int>());  
                                        // 作用同上，但是拥有自己的删除器（析构函数）。主要用于管理对象中包含指针的情况
std::shared_ptr<int> sp5(new int, [](int* p) { delete p; }, std::allocator<int>());
                                        // 作用同上，但是拥有自己的删除器（析构函数）和分配器（构造函数）,主要用于管理对象中包含指针的情况
std::shared_ptr<int> sp6(sp5);          // 拷贝构造，sp5 的引用计数 + 1
std::shared_ptr<int> sp7(std::move(sp6));
                                        // 移动构造，sp6 的所有权被移交到 sp7
std::shared_ptr<int> sp8(std::unique_ptr<int>(new int));
                                        // sp8 引用计数为 1

/***************************************************************
 * operator=
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1;
std::shared_ptr<int> sp2(new int(10));
sp1 = sp2;                              // 拷贝赋值
sp2 = std::make_shared<int>(20);        // 移动赋值
std::unique_ptr<int> up1(new int(30));
sp1 = std::move(up1);                   // 将 unique_ptr 移动到 shared_ptr 并设置引用计数为 1

/***************************************************************
 * swap
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
std::shared_ptr<int> sp2(new int(20));

sp1.swap(sp2);                          // 注意此处的 sp1 是对象而不是指针，引用要使用 . 而非 ->

/***************************************************************
 * reset
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1;
sp1.reset(new int(20));                 // 重置 sp1 管理的对象

/***************************************************************
 * get
 * ************************************************************/
int* p1 = new int(10);
std::shared_ptr<int> sp1(p1);

std::cout << (p1 == sp1.get()) << std::endl;    // 1

/***************************************************************
 * use_count
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1;
std::shared_ptr<int> sp2(new int(10));
std::shared_ptr<int> sp3(new int(20));
std::shared_ptr<int> sp4(sp2);

std::cout << sp1.use_count() << std::endl;      // 0
std::cout << sp2.use_count() << std::endl;      // 2
std::cout << sp3.use_count() << std::endl;      // 1
std::cout << sp4.use_count() << std::endl;      // 2

/***************************************************************
 * unique
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1;
std::shared_ptr<int> sp2(new int(10));
std::shared_ptr<int> sp3(new int(20));
std::shared_ptr<int> sp4(sp2);

std::cout << sp1.unique() << std::endl;         // 0
std::cout << sp2.unique() << std::endl;         // 0
std::cout << sp3.unique() << std::endl;         // 1
std::cout << sp4.unique() << std::endl;         // 0

/***************************************************************
 * operator bool
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1;
std::shared_ptr<int> sp2(new int(10));
std::shared_ptr<int> sp3(new int(20));
std::shared_ptr<int> sp4(sp2);

std::cout << (sp1 ? "true" : "false") << std::endl;     // false
std::cout << (sp2 ? "true" : "false") << std::endl;     // true
std::cout << (sp3 ? "true" : "false") << std::endl;     // true
std::cout << (sp4 ? "true" : "false") << std::endl;     // true

/***************************************************************
 * relational operators
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1, sp2, sp3, sp4;
sp1 = std::make_shared<int>(10);
sp2 = std::make_shared<int>(10);
sp3 = sp2;

std::cout << (sp1 == sp2 ? "true" : "false") << std::endl;  // false
std::cout << (sp2 == sp3 ? "true" : "false") << std::endl;  // true
std::cout << (sp3 == sp4? "true" : "false") << std::endl;   // fasle
std::cout << (sp1 == nullptr? "true" : "false") << std::endl;   
                                                            // false
std::cout << (sp2 == nullptr ? "true" : "false") << std::endl;
                                                            // false
std::cout << (sp3 == nullptr ? "true" : "false") << std::endl;
                                                            // false
std::cout << (sp4 == nullptr ? "true" : "false") << std::endl;
                                                            // true

/***************************************************************
 * ostream operator<<
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));

std::cout << sp1 << std::endl;          // 0070A590
std::cout << *sp1 << std::endl;         // 10

/***************************************************************
 * std::make_shared
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1 = std::make_shared<int>(10);

/***************************************************************
 * std::swap
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
std::shared_ptr<int> sp2(new int(20));
std::swap(sp1, sp2);

/***************************************************************
 * Add in C++17
 * std::static_pointer_cast  
 * std::dynamic_pointer_cast
 * std::const_pointer_cast
 * std::reinterpret_pointer_cast
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
std::shared_ptr<const int> sp2 = std::const_pointer_cast<const int>(sp1);

  • 线程不安全原因

    • 一个 shared_ptr 对象实体可被多个线程同时读取（文档例1）；
    • 两个 shared_ptr 对象实体可以被两个线程同时写入（例2），“析构”算写操作；
    • 如果要从多个线程读写同一个 shared_ptr 对象，那么需要加锁（例3~5）。

02 unique_ptr 独占的智能指针

unique_ptr 独占一个指针对象指向的内存的所有权：一旦它获得指针指向的内存的所有权，它就会在一定的时刻负责释放指针指向的内存。
unique_ptr 独占内存不需要引用计数所以与 shared_ptr 相比开销较小。
unique_ptr 出于安全的原因不支持拷贝构造、复制运算符重载，只支持移动构造、移动赋值运算符重载。

  • 成员函数

    (constructor)           // 构造新的 shared_ptr
(destructor)            // 如果没有更多的 shared_ptr 指向持有的对象则析构对象
operator=               // 对 unqiue_ptr 进行赋值
swap                    // 交换管理的对象，不会改变引用计数
reset                   // 替换所管理的对象，并销毁直至指向的对象
release                 // 放弃了原本持有的指针指向内存的控制权，返回持有的指针并将持有的指针设置为 nullptr
get                     // 返回存储的指针
get_deleter             // 返回指定类型中的删除其（如果有的话）
operator bool           // 检查是否有被管理的对象

  • 非成员函数

    std::make_unique        // [C++14]创建管理一个对象的 unique_ptr
std::swap(std::shared_ptr)  
                        // 特化的 std::swap 算法
relational operators    // 在 unique_ptr 对象 lhs 和 rhs 之间或 unique_ptr 和 nullptr 之间执行适当的关系比较操作
ostream operator<<      // 输入输出接口

  • 注意事项

    • 不支持拷贝构造、复制运算符重载，只支持移动构造、移动赋值运算符重载。
    • 线程安全。

  • 应用实例

    /***************************************************************
 * constructor
 * ************************************************************/
std::default_delete<int> dd;
std::unique_ptr<int> up1;
std::unique_ptr<int> up2(nullptr);
std::unique_ptr<int> up3(new int);
std::unique_ptr<int> up4(new int, dd);
std::unique_ptr<int> up5(new int, std::default_delete<int>());
std::unique_ptr<int> up6(std::move(up5));

/***************************************************************
 * operator=
 * ************************************************************/
std::unique_ptr<int> up1;
std::unique_ptr<int> up2;
std::unique_ptr<int> up3;

up1 = std::unique_ptr<int>(new int(10));
up2 = std::move(up1);
up3 = std::make_unique<int>(10);    // Add in C++14              

/***************************************************************
 * swap  
 * ************************************************************/
std::unique_ptr<int> up1;
std::unique_ptr<int> up2;

up1.swap(up2);

/***************************************************************
 * reset
 * ************************************************************/
std::unique_ptr<int> up1;
up1.reset(new int);     

std::cout << *up1 << std::endl;     // 8975 随机值

up1.reset(new int(10));
std::cout << *up1 << std::endl;     // 10
    
*up1 = 20;
std::cout << *up1 << std::endl;     // 20

/***************************************************************
 * release
 * ************************************************************/
std::unique_ptr<int> up1(new int(10));
// up1.release();                       // error: unique_ptr 放弃了原本持有的指针指向内存的控制权，返回持有的指针并将持有的指针设置为 nullptr
auto p1 =  up1.release();
std::cout << *p1 << std::endl;          // 10
std::cout << (up1.get() == nullptr ? "up1.get == nullptr" : "up1.get == not nullptr") << std::endl;
                                        // up1.get == nullptr

/***************************************************************
 * get
 * ************************************************************/
int* p1 = new int(10);
std::unique_ptr<int> sp1(p1);

std::cout << (p1 == sp1.get()) << std::endl;    // 1

/***************************************************************
 * 以下方法用法同 std::shared_ptr
 * operator bool
 * std::make_unique [C++14]
 * std::swap(std::shared_ptr)  
 * relational operators 
 * ostream operator<<   
 * ************************************************************/

03 weak_ptr 独占的智能指针

weak_ptr 主要是为了解决 shared_ptr 可能引起的循环引用问题。
weak_ptr 对被 shared_ptr 管理的对象具有弱引用，即不会增加 shared_ptr 持有指针的引用计数。
weak_ptr 不能直接使用，在访问所引用的对象前必须先转换成 shared_ptr 类型，如果原来的。

  • 成员函数

    (constructor)           // 构造新的 weak_ptr
(destructor)            // 如果没有更多的 weak_ptr 指向持有的对象则析构对象
operator=               // 对 weak_ptr 进行赋值
swap                    // 交换管理的对象，不会改变引用计数
reset                   // 替换所管理的对象，并销毁直至指向的对象
use_count               // 返回 weak_ptr 所指对象的引用计数
expired                 // 返回与 use_count == 0 相同的值
lock                    // 获取 weak_ptr 监视的 shared_ptr
                        // 如果 weak_ptr 没有过期则返回 shared_ptr 
                        // 如果 weak_ptr 过期则返回空的 shared_ptr 
owner_before            //

  • 非成员函数

    std::swap(std::shared_ptr)      // 特化的 std::swap 算法

  • 注意事项

  • 应用实例

    /***************************************************************
 * constructor
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));

std::weak_ptr<int> wp1;
std::weak_ptr<int> wp2(wp1);
std::weak_ptr<int> wp3(sp1);

std::cout << wp1.use_count() << std::endl;          // 0
std::cout << wp2.use_count() << std::endl;          // 0
std::cout << wp3.use_count() << std::endl;          // 1

/***************************************************************
 * operator=
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
std::weak_ptr<int> wp1, wp2;

wp1 = sp1;
wp2 = wp1;

/***************************************************************
 * swap
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1 (new int(10));
std::shared_ptr<int> sp2 (new int(20));

std::weak_ptr<int> wp1(sp1);
std::weak_ptr<int> wp2(sp2);

wp1.swap(wp2)

/***************************************************************
 * reset
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1 (new int(10));

std::cout << sp1.get() << std::endl;                // 1

std::weak_ptr<int> wp1(sp1);

wp1.reset();

std::cout << sp1.get() << std::endl;                // 1
/***************************************************************
 * use_count
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
std::weak_ptr<int> wp1, wp2;

wp1 = sp1;

std::cout << wp1.use_count() << std::endl;      // 1
std::cout << wp2.use_count() << std::endl;      // 0

/***************************************************************
 * expired
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
std::weak_ptr<int> wp1 = sp1;

std::cout << wp1.expired() << std::endl;        // 0

sp1.reset();

std::cout << wp1.expired() << std::endl;        // 1

/***************************************************************
 * lock
 * ************************************************************/
std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
std::weak_ptr<int> wp1 = sp1;

std::shared_ptr<int> sp2 = wp1.lock();
std::weak_ptr<int> wp2 = sp2;

/***************************************************************
 * std::swap(std::shared_ptr) 
 * ************************************************************/
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C++11 call_once/once_flag 使用
mwl_learning的博客
10-05 560
为了保证在多线程环境中某个函数仅会被调用一次，可以使用 std::call_once 保证函数只能被调用一次。 使用 std::call_once 时需要一个 std::once_flag 做为 call_once 的入参。 std::once_flag onceFlag; void doOnce() { std::call_once(onceFlag, []() { std::cout << "Called one time" << std::endl;
C++11 异步操作
mwl_learning的博客
10-05 476
C++11 头文件 中包含了如下的类和函数： 类 Providers promise packaged_task Futures future shared_future 函数 async 其它 future_error [class] future_errc [enum class] future_status [enum class] launch [enum class] std::promise promise 用于实现实现线程同步。 promise 对象可以存储
C++11 线程
mwl_learning的博客
10-05 451
01 thread thread 用于创建线程对象。 thread 对象使用可调用对象进行初始化。可调用对象是线程的入口函数，初始化之后线程立即执行。 thread 初始化成功后拥有唯一的线程 ID 默认构造的（未初始化的）线程对象是不可连接(t.joinable() == false)的。 成员函数 (constructor) (destructor) operator= // 移动 thread 对象 g
C++智能指针实现与应用
"C++智能指针是一种管理动态分配内存的有效工具，它们通过引用计数或其他机制自动释放所指向的对象，防止内存泄漏。本资源主要介绍了一个自定义的智能指针实现，以及智能指针在C++编程中的重要性。" 在C++编程中，...
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