C++智能指针及循环引用

Posted 2021-07-11 技术热爱者

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• auto_ptr
• unique_ptr
• shared_ptr
• weak_ptr
• 循环引用问题

智能指针的原理：

智能指针的原理：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指向的内存。智能指针本身是栈上的对象，所以当函数（程序）结束时会被自动释放掉。
1） auto_ptr：不支持复制和赋值，但复制和赋值时不提示错误，不能放入容器中。

2）unique_ptr:独享指针，不支持复制和赋值，但是赋值会编译出错。提供move方法。

3）shared_ptr：共享指针，基于引用计数的智能指。可以随意地赋值。

对被管理的资源进行引用计数，当一个shared_ptr对象要共享这个资源的时候，该资源的引用计数加1，当这个对象生命期结束的时候，再把该引用计数减少1。这样当最后一个引用它的对象被释放的时候，资源的引用计数减少到0，此时释放该资源。缺点是使用不当，可能存在“环状引用”引起内存泄露。

4） weak_ptr：weak_ptr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，也就是将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。不论是否有weak_ptr指向，一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。从这个角度看，weak_ptr更像是shared_ptr的一个助手而不是智能指针。

shared_ptr：

C++ 11 模板库的 memory头文件中定义了智能指针，即 shared _ptr 模板；

只要将 new 运算符返回的指针 p 交给一个 shared_ptr 对象“托管”，就不必担心在哪里写delete p语句——实际上根本不需要编写这条语句，托管 p 的 shared_ptr 对象在消亡时会自动执行delete p。而且，该 shared_ptr 对象能像指针 p —样使用，即假设托管 p 的 shared_ptr 对象叫作 ptr，那么 *ptr 就是 p 指向的对象。

通过 shared_ptr 的构造函数，可以让 shared_ptr 对象托管一个 new 运算符返回的指针，写法如下：

shared_ptr ptr(new T); // T 可以是 int、char、类等各种类型

此后，ptr 就可以像 T* 类型的指针一样使用，即 *ptr 就是用 new 动态分配的那个对象。

多个 shared_ptr 对象可以共同托管一个指针 p，当所有曾经托管 p 的 shared_ptr 对象都解除了对其的托管时，就会执行delete p。

循环引用问题：

比较典型的情况是循环引用问题，比如这段代码

class B; // 前置声明
class A {
public:
    shared_ptr<B> ptr;
};

class B {
public:
    shared_ptr<A> ptr;
};

int main()
{
    while(true) {
        shared_ptr<A> pa(new A()); //shared_ptr<A> pa = make_shared<A>();
        shared_ptr<B> pb(new B()); //shared_ptr<B> pa = make_shared<B>();
        pa -> ptr = pb;
        pb -> ptr = pa;
    }
    return 0;
}

这个程序中智能指针的引用情况如下图:

上图中，class A和class B的对象各自被两个智能指针管理，也就是A object和B object引用计数都为2，为什么是2？

分析class A对象的引用情况，该对象被main函数中的pa和class B对象中的ptr管理，因此A object引用计数是2，B object同理。

在这种情况下，在main函数中一个while循环结束的时候，pa和pb的析构函数被调用，但是class A对象和class B对象仍然被一个智能指针管理，A object和B object引用计数变成1，于是这两个对象的内存无法被释放，造成内存泄漏，如下图所示:

解决方法:
解决方法很简单，把class A或者class B中的shared_ptr改成weak_ptr即可，由于weak_ptr不会增加shared_ptr的引用计数，所以A object和B object中有一个的引用计数为1，在pa和pb析构时，会正确地释放掉内存.

class B; // 前置声明
class A {
public:
    weak_ptr<B> ptr;
};

class B {
public:
    shared_ptr<A> ptr;
};

int main()
{
    while(true) {
        shared_ptr<A> pa(new A()); //shared_ptr<A> pa = make_shared<A>();
        shared_ptr<B> pb(new B()); //shared_ptr<B> pa = make_shared<B>();
        pa -> ptr = pb;
        pb -> ptr = pa;
    }
    return 0;
}