C++动态内存管理——智能指针

最新推荐文章于 2023-05-09 22:21:14 发布

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智能指针是C++中用于自动管理动态内存的对象，防止内存泄漏。主要类型包括unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。unique_ptr具有唯一所有权，不可复制；shared_ptr采用引用计数，允许多个指针共享对象；weak_ptr解决shared_ptr的循环引用问题。选择智能指针应考虑对象的共享需求和生命周期管理。

智能指针

1.什么是智能指针？

智能指针(smart pointer)是存储指向动态分配（堆）对象指针的类，用于生存期控制，能够确保自动正确的销毁动态分配的对象，防止内存泄露（利用自动调用类的析构函数来释放内存）。

实现技术是使用引用计数（shared_ptr）、资源独占（unique_ptr和auto_ptr）、只引用，不计数（weak_ptr）。

指针和智能指针：

智能指针是对象，对象在过期时，会调用其析构函数析构掉，而常规指针，当其指向堆内存，最终需要人为的delete

2.为什么需要智能指针？

（1）new和delete管理动态内存存在的三个常见问题：

1）忘记delete内存

2）使用已经释放掉的对象

3）同一块内存释放两次

（2）中途抛出异常，无法释放资源。

3.智能指针的原理

创建一份资源出来的时候，交给一个类对象去管理，当类对象声明周期结束时，自动调用析构函数释放资源。除此之外，通过运算符重载（重载*和重在-> 等），可以像指针一样使用。

4.3种智能指针的实现策略/实现技术

（1）auto_ptr和unique_ptr：

采用的是单独所有权的概念，对于特定对象，只能被一个智能指针所拥有，这样，只有拥有该对象的智能指针的析构函数才会删除该对象，但要注意的是，赋值操作会转让操作权。

（2）shared_ptr

shared_ptr则采用引用计数的策略，共享所有权，即可以让多个指针指向同一个对象，例如，每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；赋值时，计数+1，指针过期时，计数-1.只有当计数为0时，即当最后一个shared_ptr离开作用域时，才会释放这块内存。

引用计数增减的情况：

注意：shared_ptr本身不是线程安全的，shared_ptr的计数功能是原子的，但对象的读写不是原子的。C++标准也只是保证的是shared_ptr的lock()指针提升是线程安全的。所以，要实现线程安全，可能需要weak_ptr与shared_ptr配合使用，

5.shared 和 unique区别

（1）unique_ptr具有唯一性，对指向的对象值存在唯一的unique_ptr。而可以有多个shared_ptr指向同一对象

（2）unique_ptr不可复制，赋值（即将要销毁的对象除外，如函数的返回值，或局部对象的返回，C++14后可以使用std::move()转换对象的所有权），shared_ptr可以

（3）与shared_ptr相比，若自定义删除器，需要在声明处指定删除器类型，而shared不需要，shared自定义删除器只需要指定删除器对象即可，在赋值时，可以随意赋值，删除器对象也会被赋值给新的对象。

原因：

unique的实现中，删除器对象是作为unique_ptr的一部分，而shared_ptr，删除器对象保存在control_block中。

其他细节参考我的ProcessOn的思维导图总结：https://www.processon.com/view/link/5c87c263e4b0c996d3605c3a

拓展：

shared_ptr除了用于管理纯粹的内存之外还可以用于其他的目的，比如管理FILE、SOCKET等，极大的增加了编程的方便性。而这里就是利用了向其中传入删除器，如：

void auto_run_fun(FILE* f){
	printf("auto running.\n");
	fclose(f);
}

void my_shared_ptr2(){
	FILE* f = fopen("data.txt","w");
	std::shared_ptr<FILE> file_ptr(f, auto_run_fun);
}

6.unique_ptr相比auto_ptr的优势

（1）unique_ptr相比auto_ptr更安全

当两个指针指向同一个对象时，程序出现删除该对象两次的情况时，程序会编译出错，而auto_ptr则会在运行阶段才出现“Segmentation fault”（段错误）

示例程序：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

int main()
{
	auto_ptr<int> px(new int(8));
	//unique_ptr<int> px(new int(8));
	auto_ptr<int> py;
	//unique_ptr<int> py;
	cout << "(1)px= " << *px << endl;

	py = px; //将px控制权交给py,px变为空指针

	cout << "(2)px= " << *px << endl;
}

使用auto_ptr的运行结果：运行时报错

将auto_ptr替换为unique_ptr后：编译时报错

要安全的重用unique_ptr指针，可给它赋新值。C++为其提供了std::move()方法（C++14新增）

由于unique_ptr使用了C++11新增的移动构造函数和右值引用，所以可以区分安全和不安全的用法。

（2）unique_ptr相较auto_ptr和unique_ptr，提供了可用于数组的变体

auto_ptr和shared_ptr可以和new一起使用，但不可以和new[]一起使用，但是unique_ptr可以和new[]一起使用

std::unique_ptr<int[]> uptr(new int[10]);
//std::unique_ptr<int[]> uptr = new int[10];//错误

7.weak_ptr的引入为了解决shared_ptr的循环引用问题

循环引用问题：

对weak_ptr的解释：

（1）C++11的weak_ptr，弱引用。引用计数有一个问题就是互相引用形成环，这样两个指针指向的内存都无法释放。需要手动打破循环引用或使用weak_ptr。

（2）weak_ptr是一个弱引用，它是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，它指向一个由shared_ptr管理的对象而不影响所指对象的生命周期，也就是说，它只引用，不计数。

（3）如果一块内存被shared_ptr和weak_ptr同时引用，当所有shared_ptr析构了之后，不管还有没有weak_ptr引用该内存，内存也会被释放。

（4）所以weak_ptr不保证它指向的内存一定是有效的，在使用之前需要检查weak_ptr是否为空指针。判断weak_ptr的对象是否失效的方法如下：
1、expired()：检查被引用的对象是否已删除。
2、lock()会返回shared指针，判断该指针是否为空。
3、use_count()也可以得到shared引用的个数，但速度较慢。

（5）weak_ptr并没有重载operator->和operator *操作符，因此不可直接通过weak_ptr使用对象，典型的用法是调用其lock函数来获得shared_ptr示例，进而访问原始对象。

8.智能指针的选择

（1）如果程序中要使用多个指向同一个对象的指针，那么应该使用shared_ptr；比如说现在有一个包含指针的STL容器，现在用某个支持复制和赋值操作STL算法去操作该容器的指针元素，那么就应该用shared_ptr。不能用unique_ptr（编译器报错）和auto_ptr（行为不确定）。

（2）如果程序中不需要使用多个指向同一个对象的指针，则可使用unique_ptr；如果函数使用new分配内存，并返回指向该内存的指针，将其返回类型声明为unique_ptr是不错的选择。这样，所有权转让给接受返回值的unique_ptr，而该智能指针将负责调用delete。

（3）虽然auto_ptr仍是标准库的一部分，但编写程序时应该使用unique_ptr

（4）在unique_ptr为右值时，可将其赋给shared_ptr，举例如下：

//注：make_int()的返回类型为unique_ptr
unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000));
shared_ptr<int> spp(pup);   //错误，pup是一个左值unique_ptr，不能对它进行拷贝
shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000));  //正确,调用make_int()为一个右值unique_ptr

//模板shared_ptr中有包含显式构造函数，可用于将右值unique_ptr转换为shared_ptr

（5）在编译器中没有提供unique_ptr时,可以考虑使用BOOST库提供的scoped_ptr，它与unique_ptr类似