c++中的智能指针auto_ptr解析

Posted 2022-12-10 uestclr

c++中的auto_ptr是一个类，却可以像指针一样去使用。使用auto_ptr需要包含头文件#include <memory>

例如：auto_ptr<string> ps(new string("hello"));可以像指针一样去使用它，可以这样cout << ps->size()<<endl;uto_ptr带来的好处是，程序员并不需要手动的去delete，这给容易忘记delete的程序员带来极大的好处，因为有时候delete真的是很容易忘记，而内存泄漏又是很难被发现的错误。java中采用了垃圾回收器的机制，使其很大程度上避免了内存泄漏的问题。

引例：

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

class A
public:
	A(int x = 0) :m_x(x)
		cout << "A构造" << endl;
	
	~A()
		cout << "A析构" << endl;
	
	void print()const
		cout << m_x << endl;
	
private:
	int m_x;
;

void test()
	A * pa = new A(123);
	pa->print();
	delete pa;


int main()
	cout << "main函数开始了" << endl;
	test();
	cout << "main函数结束" << endl;

上面的代码中，在test函数中如果我们忘记了delete，也就是将delete pa注释掉，则A类的析构函数是无法被调用的。在test函数中，A * pa是一个局部指针变量，函数结束pa是会被释放掉的，但是pa所指向的内存空间是无法被释放的。所以为了避免程序员忘记delete而造成内存泄漏，auto_ptr的思想就在于，能不能让pa所指向的内存空间伴随者pa的释放而被释放掉。试想一下，如果pa是一个类类型，且pa是分配在栈内存上，则pa被释放后，pa的析构函数是一定会被调用的。那么就在pa类的析构函数中释放pa所指向的堆内存空间，那么就不用手动delete了，pa就是auto_ptr。

所以如果我们把上面的代码中的A * pa = new A(123)注释掉，加上这样一句auto_ptr<A> pa(new A(123))，且把delete pa也注释掉，则会发现，A类的析构函数被调用了。

查看一下auto_ptr的部分源代码实现，首先着重看看auto_ptr的构造函数和析构函数。

template<class _Ty>
class auto_ptr
// wrap an object pointer to ensure destruction
public:
typedef auto_ptr<_Ty> _Myt;
typedef _Ty element_type;


explicit auto_ptr(_Ty *_Ptr = 0) _THROW0()
: _Myptr(_Ptr)
// construct from object pointer



auto_ptr(_Myt& _Right) _THROW0()
: _Myptr(_Right.release())
// construct by assuming pointer from _Right auto_ptr

/*在这里代码有截断*/

~auto_ptr() _NOEXCEPT
// destroy the object
delete _Myptr;

/*在这里代码被截断*/

private:
_Ty *_Myptr; // the wrapped object pointer

可以看出auto_ptr是用了类模板，可以接受任意引用类型的参数。以auto_ptr<string> ps(new string("hello"))这句话为例，执行这句话的时候，调用了auto_ptr的第一个构造函数，将new出来的地址给了_Ty *_Myptr，这里的_Ty已经被实例化成了string了。而且构造函数还加了explicit防止类型转换，也就是说这样写auto_ptr<string> ps = new string("hello")会报错。而且可以看到最后的析构函数将这个new出来的内存delete了，所以在使用auto_ptr的时候不用程序员手动释放了。

atuo_ptr的缺陷：

缺点1：auto_ptr缺乏拷贝语义。

c++中接触到的拷贝一般有三种，深拷贝，浅拷贝，转移拷贝。

a、浅拷贝：

就是逐字节拷贝，默认拷贝构造函数就是浅拷贝。直接将一个指针赋值给另一个指针，导致两个指针指向同一块内存。

b、深拷贝

一个指针赋值给另一个指针的同时，进行了内存的处理，两个指针有自己独立的内存空间。

c、转移拷贝

一个指针赋值给另一个指针之后，前一个指针（源指针被赋值为空）。

auto_ptr采用的就是转移语义的拷贝，会产生什么结果呢？我们把第一个例子的test函数改成这种样子。

void test()
	/*pa本身会被释放,一种机制使得pa的释放导致堆内存的释放
	所以不再让一个普通指针来保存pa，用一个类来保存 */
	//A * pa = new A(123);
	auto_ptr<A> pa(new A(123));
	pa->print(); 
	//delete pa;
	/*智能指针的问题，缺乏拷贝语义,普通指针肯定没问题*/
	auto_ptr<A> pb = pa;//拷贝构造
	pb->print();
	/*段错误*/
	pa->print();

那么最后一句话pa->print()的执行将发生段错误，因为这个时候pa已经为空了，通过空指针去访问必然发生段错误。这里和普通指针的访问是不一样的，就是因为其拷贝方式特殊。

上面的三种拷贝语义，auto_ptr为什么没有使用浅拷贝语义或者深拷贝语义？如果用浅拷贝语义，那么在释放的时候必然出现对同一个指针的doulle free的问题，就是释放了两次。那么深拷贝呢？就是为拷贝对指针赋予独立的内存空间，这样做的问题是不符合指针拷贝的逻辑，因为一个指针拷贝给另外一个指针，两个指针还是指向的同一块内存，所以也没考虑深拷贝，最后就选择了一种转移拷贝的方式。

缺点2：不能管理对象数组

设计函数test2：

/*智能指针管理多个对象的问题*/
void test2()
	auto_ptr<A> pa(new A[3]);//核心转存，解映射出错
	/*为什么智能指针不能管理对象数组*/

为什么auto_ptr不能管理对象数组呢？

一次分配多个对象我们必须要用delete[]去释放，不然会出错。最终的问题其实就是delete和delete[]的区别问题。

delete用于释放单个对象，获取的是对象的地址，并且调用free，而对象数组的分配有所不同，除了分配所需要大小的堆内存空间外，这段堆内存的开头还分配了4个字节的空间，用于存放分配对象的个数，在释放的时候必须把最开头的四个字节包含进去，delete[]在释放的时候，将得到的地址减4，这样取得了最开始的地址，这样的释放才是正确的释放，而delete的释放并没有减4的操作，所以无法正确的释放。

可以看到auto_ptr的析构函数中只有delete的释放，所以对象数组必然出错。

改进的auto_ptr使其能够管理对象数组。我们将对象数组特殊化处理，在这里面采用delete[]来释放，采用类模板的特化处理；

改进的版本，可以管理对象数组

#include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
class AutoPtr
public:
	explicit AutoPtr(T*p = NULL) :m_p(p)
	~AutoPtr()
		if (m_p)
			delete m_p;
	
	/*拷贝构造*/
	AutoPtr(AutoPtr<T>& that) :m_p(that.release())
	/*拷贝赋值*/
	AutoPtr& operator=(AutoPtr<T>& that)
		if (&that != this)
			reset(that.release());
		return *this;
	
	T& operator* ()const
		return *m_p;
	
	T* operator->()const
		return &**this;
		//return this->m_p;
	
private:
	T* release()
		T* p = m_p;
		m_p = NULL;
		return p;
	
	/*重置m_p*/
	void reset(T* p)
		if (p != m_p)
			delete m_p;
			m_p = p; 
		
	
	T * m_p;
;
/*特化的版本,全部重写的方式*/
template<typename T>
class AutoPtr<T[]>
public:
	explicit AutoPtr(T*p = NULL) :m_p(p)
	~AutoPtr()
		if (m_p)
			delete[] m_p;
	
	/*拷贝构造*/
	AutoPtr(AutoPtr<T>& that) :m_p(that.release())
	/*拷贝赋值*/
	AutoPtr& operator=(AutoPtr<T>& that)
		if (&that != this)
			reset(that.release());
		return *this;
	
	T& operator* ()const
		return *m_p;
	
	T* operator->()const
		return &**this;
		//return this->m_p;
	
private:
	/*转移拷贝语义的实现函数1，把指针置为空，然后返回*/
	T* release()
		T* p = m_p;
		m_p = NULL;
		return p;
	
	/*重置m_p*/
	void reset(T* p)
		if (p != m_p)
			delete m_p;
			m_p = p;
		
	
	T * m_p;
;
class A
public:
	A(int x = 0) :m_x(x)
		cout << "A构造" << endl;
	
	~A()
		cout << "A析构" << endl;
	
	void print()const
		cout << m_x << endl;
	
private:
	int m_x;
;
void test()
	AutoPtr<A> pa(new A(123));
	pa->print();
	(*pa).print();
	AutoPtr<A> pb = pa;
	pb->print();
	pa = pb;
	(*pa).print();

void test2()
	AutoPtr<A[]> p(new A[3]);

int main()
	test();
	test2();

上面代码的改进不仅是使auto_ptr具有原来的功能，还能管理对象数组，将对象数组做了特殊化处理。

值得说明的是在c++2011中出现的smart_ptr指针，真正做到了“智能”，其不仅可以管理对象数组，还具有指针的拷贝语义，在管理对象数组上smart_ptr采用了特化的处理，而在处理拷贝语义上采用了设置计数器的技术，这里不做详细说明。