c++中智能指针的原理、分类和实现

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#c++ #指针 #内存管理

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本文深入解析C++智能指针的概念，包括auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr的原理与应用，阐述如何通过智能指针有效管理堆内存，防止内存泄漏。

智能指针

智能指针的介绍
- 原理
- 作用
智能指针的分类
智能指针的总结

智能指针的介绍

原理

智能指针是一个类，这个类的构造函数中传入一个普通指针，析构函数中释放传入的指针。智能指针的类都是栈上的对象，所以当函数（或程序）结束时会自动被释放。

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。

智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象。当栈对象的生存周期结束后，会在析构函数中释放掉申请的内存，从而防止内存泄漏。

智能指针的分类

auto_ptr

在 C++ 语言中，要使用 STL 中的 auto_ptr 对象，必须包含头文件 memory，该文件包括 auto_ptr 模板。使用通常的模板句法来实例化所需类型的指针。auto_ptr 构造函数是显式的，不存在从指针到 auto_ptr 对象的隐式类型转换。

auto_ptr(c++98的方案，c++11已经抛弃)，采用的是所有权模式。

	string p = new string("hello world");
	auto_ptr<string> p1 (p); // 允许
	auto_ptr<string> p2;
	p2 = p1; // 不允许 p2剥夺了p1的所有权，当程序运行访问p1将报错
	p2 = auto_ptr <string> (p); //允许
	auto_ptr <string> panto = p; //不允许

模板可以通过构造函数将 auto_ptr 对象初始化为一个常规指针。auto_ptr 是一个智能指针，但其特性远比指针要多。值得注意的是，在使用 auto_ptr 时，只能配对使用 new 和 delete。
提示，只能对 new 分配的内存使用 auto_ptr 对象，不要对由 new() 分配的或通过声明变量分配的内存使用它。

autp_ptr链接

unique_ptr

unique_ptr实现独占式拥有或者严格拥有概念，保证同一时间只有一个智能指针可以指向该对象。它对于避免资源泄露特别有用。

	unique_ptr<string> p1 (new string("auto"));
	unique_ptr<string> p2;
	p2 = p1 ; // #1此时报错
	unique_ptr<string> p3;
	p3 = unique_ptr<string>(new string("you")); // #2正确

#1留下悬挂的unique_ptr p1，非法，避免了p1不在指向有效数据；#2它调用unique_ptr的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权让给p3后销毁。

如果确实想执行类似与#1的操作，使用函数move()，让你有一个unique_ptr赋值给另一个。例如：

	#include<iostream>
	#include<memory>
	using namespace std;
	int main()
	{
	    unique_ptr<string> ps1, ps2;
	    ps1 = unique_ptr<string> (new string("world"));
	    ps2 = move(ps1);
	    ps1 = unique_ptr<string> (new string("hello "));
	    cout << *ps1 << *ps2 << endl;
	    return 0;
	}

在这里插入图片描述

shared_ptr

shared_ptr实现共享式拥有概念。多个智能指针可以指向相同对象，该对象和其相关资源会在最后一个引用被销毁时候释放。通过use_count()来查看资源被几个指针共享。除了可以通过new来构造，还可以通过传入auto_ptr，unique_ptr，weak_ptr来构造。当我们调用release()时，当前指针会释放资源所有权，计数减一。当计数等于0，资源会被释放。

成员函数：

use_count()返回引用计数的个数；
unique()返回是否独占所有权；
swap()交换两个shared_pt6;
reset()放弃内部对象的所有权或者拥有对象的变更，会引起原来对象的引用计数的减少；
get()返回内部对象的地址。

	#include<iostream>
	#include<memory>
	using namespace std;
	int main()
	{
	    shared_ptr<string> ptest(new string("123"));
	    shared_ptr<string> ptest2(new string("456"));
	    cout<<*ptest2.get()<<endl;
	    cout<<ptest2.use_count()<<endl;
	    ptest = ptest2;//"456"引用次数加1，“123”销毁
	    cout << *ptest.get() << endl;
	    cout<<ptest2.use_count()<<endl;//2
	    cout<<ptest.use_count()<<endl;//2
	    ptest.reset();
	    ptest2.reset();//此时“456”销毁
	    cout<<"done !\n";
	    return 0;
	}

在这里插入图片描述

weak_ptr

weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。

成员函数比shared_ptr多了两个，但是少了get():

expired() 为use_count()为0，返回true,否则返回false;
lock()如果expired为空，返回空的shared_ptr；否则返回一个指向对象的shared_ptr;

weak_ptr代码链接

智能指针的总结

不要把一个原生指针给多个智能指针对象管理, 对所有的智能指针对象都成立。
不要把 this 指针给智能指针对象,对所有的智能指针对象(包括 auto_ptr)都成立。
不要在函数实参里创建智能指针对象。
处理不是 new 创建的对象要小心. 如果确实需要这样做, 需要智能指针传递一个删除器, 自定义删除行为。
不要使用 new 创建一个智能指针对象.如 new shared_ptr 。
使用 dynamic_pointer_cast 进行转换。
不要 memcpy 智能指针对象。
智能指针对象数组的使用, 需要自定义释放器。
将智能指针对象作为函数参数传递时要小心, 如下面的代码, 当调用所在的表达式结束(即函数调用返回)时, 这个临时对象就被销毁了, 它所指向的内存也被释放.。
当将一个智能指针对象(如 shared_ptr)绑定到一个普通指针时, 就将内存管理的责任交给了这个 shared_ptr. 此后就不应该使用内置指针来访问 shared_ptr 所指向的内存了。
不能使用 delete 释放 get 返回的普通指针. get 函数的设计是为了向不能使用智能指针的代码传递一个普通指针, 应该减少 get 函数的调用。
不要使用 get 返回的普通指针来初始化另一个智能指针, 或为另一个智能指针赋值. 显然如果这样做, 将导致两次释放相同的内存, 或者其中一个已经将内存释放, 但另一个还在使用。

总结参考链接