C++智能指针
Posted 小倪同学 -_-
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++智能指针相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章目录
为什么需要智能指针？
为了解决内存泄漏的问题，C++中提出了智能指针。
内存泄漏的产生原因有很多，即使我们正确的使用malloc和free关键字也有可能产生内存泄漏，如在malloc和free之间如果存在抛异常，那也会产生内存泄漏。这种问题被称为异常安全。
例
void MemoryLeaks()
// 1.内存申请了忘记释放
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
// 2.异常安全问题
int* p3 = new int[10];
Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
delete[] p3;
内存泄漏
什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害： 长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
内存泄漏分类（了解）
C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：
- 堆内存泄漏(Heap leak)
堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
- 系统资源泄漏
指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。
如何避免内存泄漏
- 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要智能指针来管理才有保证。
- 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
- 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
- 出问题了使用内存泄漏工具检测。
智能指针的使用及原理
RAII
RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。
在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：
- 不需要显式地释放资源。
- 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。
使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
~SmartPtr()
if (_ptr)
delete _ptr;
private:
T* _ptr;
;
智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用
template<class T>
class SmartPtr
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
~SmartPtr()
if (_ptr)
delete _ptr;
T& operator*()
return *_ptr;
T* operator->()
return _ptr;
private:
T* _ptr;
;
void f1()
SmartPtr<int> sp(new int);
*sp = 10;
cout << *sp << endl;
SmartPtr<pair<int, int>> spp(new pair<int, int>(1, 1));
(*spp).first++;
(*spp).second++;
spp->first++;
spp->second++;
cout << spp->first << ":" << spp->second << endl;
int main()
f1();
运行结果
总结一下智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。
auto_ptr
C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include <memory>
using namespace std;
class Date
public:
Date() cout << "Date()" << endl;
~Date() cout << "~Date()" << endl;
int _year;
int _month;
int _day;
;
int main()
auto_ptr<Date> ap(new Date);
auto_ptr<Date> copy(ap);
// auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
ap->_year = 2018;
return 0;
auto_ptr的模拟实现
template<class T>
class auto_ptr
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
// 一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另ap与其所管理资源断开联系，
// 这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题
auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
sp._ptr = nullptr;
// ap2 = ap3;
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
if (this != ap)
delete _ptr;
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr;
return *this;
~auto_ptr()
if (_ptr)
delete _ptr;
cout << _ptr << endl;
T& operator*()
return *_ptr;
T* operator->()
return _ptr;
private:
T* _ptr;
;
从代码中我们了解了拷贝对象悬空的原因。这种方式是一种失败的设计，被质疑很久，一般公司都要求不要使用它。
unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理。
template<class T>
class unique_ptr
public:
unique_ptr(T * ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
~unique_ptr()
if (_ptr)
delete _ptr;
cout << _ptr << endl;
T& operator*()
return *_ptr;
T* operator->()
return _ptr;
// 防拷贝
unique_ptr(unique_ptr<T> const &) = delete;
unique_ptr & operator=(unique_ptr<T> const &) = delete;
private:
T * _ptr;
;
shared_ptr
C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
shared_ptr的原理： 是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。
- shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
- 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
- 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源。
- 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。
shared_ptr的模拟实现
template <class T>
class SharedPtr
public:
SharedPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pRefCount(new int(1))
, _pMutex(new mutex)
~SharedPtr()
Release();
SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
: _ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
, _pMutex(sp._pMutex)
AddRefCount();
// 赋值
SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
// 释放管理的旧资源
Release();
// 共享管理新对象的资源，并增加引用计数
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pMutex = sp._pMutex;
AddRefCount();
return *this;
//现代写法
//SharedPtr<T, D>& operator=(SharedPtr<T> sp)
//
// swap(_ptr, sp._ptr);
// swap(_pRefCount, sp._pRefCount);
// return *this;
//
T& operator*()
return *_ptr;
T* operator->()
return _ptr;
int UseCount()
return *_pRefCount;
T* Get()
return _ptr;
void AddRefCount()
// 加锁或者使用加1的原子操作
_pMutex->lock();
++(*_pRefCount);
_pMutex->unlock();
private:
void Release()
bool deleteflag = false;
// 引用计数减1，如果减到0，则释放资源
_pMutex->lock();
if (--(*_pRefCount) == 0)
delete _ptr;
delete _pRefCount;
deleteflag = true;
_pMutex->unlock();
if (deleteflag == true)
delete _pMutex;
private:
int* _pRefCount; // 引用计数
T* _ptr; // 指向管理资源的指针
mutex* _pMutex; // 互斥锁
;
shared_ptr的线程安全问题
shared_ptr也存在线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面
- 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以智能指针中引用计数++、–是需要加锁的，这时引用计数的操作才是线程安全的。
- 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。
shared_ptr的循环引用
观察下面代码
struct ListNode
int _data;
SharedPtr<ListNode> _prev;
SharedPtr<ListNode> _next;
~ListNode()
cout << "~ListNode()" << endl;
;
int main()
SharedPtr<ListNode> node1(new ListNode);
SharedPtr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.UseCount() << endl;
cout << node2.UseCount() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.UseCount() << endl;
cout << node2.UseCount() << endl;
return 0;
我们发现运行结束后并没有调用析构函数
这是为什么呢?
- node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete.
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
- 也就是说_next析构了，node2就释放了,_prev析构了，node1就释放了.
- 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放.
如图
解决方案
在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了。
原理是：node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。
weak_ptr模拟实现如下
template<class T>
class weak_ptr
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
weak_ptr(SharedPtr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
weak_ptr(weak_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
weak_ptr<T>& operator=(SharedPtr<T>& sp)
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
return *this;
weak_ptr<T>& operator=(weak_ptr<T>& sp)
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
return *this;
private:
T* _ptr;
int* _pRefCount;
;
使用如下
struct ListNode
int _data;
weak_ptr<ListNode> _prev;
weak_ptr<ListNode> _next;
~ListNode()
cout << "~ListNode()" << endl;
;
int main()
SharedPtr<ListNode> node1(new ListNode);
SharedPtr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.UseCount() << endl;
cout << node2.UseCount() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.UseCount() << endl;
cout << node2.UseCount() << endl;
return 0;
运行结果
如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题
template<class T>
struct FreeFunc
void operator()(T* ptr)
cout << "free: " << ptr << endl;
free(ptr);
;
template<class T>
struct DeleteArrayFunc
void operator()(T* ptr)
cout << "delete[] " << ptr << endl;
delete[] ptr;
;
int main()
FreeFunc<int> freeFunc;
shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
return 0;
我们可以自己设计删除器来释放不是在智能指针内部new出来的对象。
C++11和boost中智能指针的关系
- C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr
- C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr
- C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版
- C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的
以上是关于C++智能指针的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章