C++ 智能指针 - 全部用法详解

Posted 2021-08-31 cpp_learner

tags:

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 - 全部用法详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

为什么要学习智能指针？
咳咳，这个问题不是问大家的，是询问我自己的！
我依稀记得刚离校出来找实习工作那会，去面试一份工作，其中有一个环节需要答题；有一道题目就是问什么是智能指针？卧槽？当时我就懵逼，智能指针我压根就没有听说过…
最后，面试的这份工作理所应当的黄了。
差不多是一年前左右吧，现在趁有闲余时间，学习一下智能指针，丰富一下自己！

一、为什么要使用智能指针

一句话带过：智能指针就是帮我们C++程序员管理动态分配的内存的，它会帮助我们自动释放new出来的内存，从而避免内存泄漏！

如下例子就是内存泄露的例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

using namespace std;


// 动态分配内存，没有释放就return
void memoryLeak1() {
	string *str = new string("动态分配内存！");
	return;
}

// 动态分配内存，虽然有些释放内存的代码，但是被半路截胡return了
int memoryLeak2() {
	string *str = new string("内存泄露！");

	// ...此处省略一万行代码

	// 发生某些异常，需要结束函数
	if (1) {
		return -1;
	}

	delete str;	// 虽然写了释放内存的代码，但是遭到函数中段返回，使得指针没有得到释放
	return 1;
}


int main(void) {

	memoryLeak1();

	memoryLeak2();

	return 0;
}

memoryLeak1函数中，new了一个字符串指针，但是没有delete就已经return结束函数了，导致内存没有被释放，内存泄露！
memoryLeak2函数中，new了一个字符串指针，虽然在函数末尾有些释放内存的代码delete str，但是在delete之前就已经return了，所以内存也没有被释放，内存泄露！

使用指针，我们没有释放，就会造成内存泄露。但是我们使用普通对象却不会！

思考：如果我们分配的动态内存都交由有生命周期的对象来处理，那么在对象过期时，让它的析构函数删除指向的内存，这看似是一个 very nice 的方案？

智能指针就是通过这个原理来解决指针自动释放的问题！

C++98 提供了 auto_ptr 模板的解决方案
C++11 增加unique_ptr、shared_ptr 和weak_ptr

二、auto_ptr

auto_ptr 是c++ 98定义的智能指针模板，其定义了管理指针的对象，可以将new 获得（直接或间接）的地址赋给这种对象。当对象过期时，其析构函数将使用delete 来释放内存！

用法:
头文件: #include < memory >
用法: auto_ptr<类型> 变量名(new 类型)

例如:
auto_ptr< string > str(new string(“我要成为大牛~ 变得很牛逼！”));
auto_ptr<vector< int >> av(new vector< int >());
auto_ptr< int > array(new int[10]);

例：
我们先定义一个类，类的构造函数和析构函数都输出一个字符串用作提示！
定义一个私有成员变量，赋值20.
再定义一个私有成员方法用于返回这个私有成员变量。

class Test {
public:
	Test() { cout << "Test的构造函数..." << endl; }
	~Test() { cout << "Test的析构函数..." << endl; }

	int getDebug() { return this->debug; }

private:
	int debug = 20;
};

当我们直接new这个类的对象，却没有释放时。。。

int main(void) {
	Test *test = new Test;

	return 0;
}

可以看到，只是打印了构造函数这个字符串，而析构函数的字符却没有被打印，说明并没有调用析构函数！这就导致了内存泄露！
解决内存泄露的办法，要么手动delete，要么使用智能指针！

使用智能指针：

// 定义智能指针
auto_ptr<Test> test(new Test);

智能指针可以像普通指针那样使用：

cout << "test->debug：" << test->getDebug() << endl;
cout << "(*test).debug：" << (*test).getDebug() << endl;

这时再试试：

int main(void) {

	//Test *test = new Test;
	auto_ptr<Test> test(new Test);

	cout << "test->debug：" << test->getDebug() << endl;
	cout << "(*test).debug：" << (*test).getDebug() << endl;

	return 0;
}

自动调用了析构函数。
为什么智能指针可以像普通指针那样使用？？？
因为其里面重载了 * 和 -> 运算符， * 返回普通对象，而 -> 返回指针对象。

具体原因不用深究，只需知道他为什么可以这样操作就像！
函数中返回的是调用get()方法返回的值，那么这个get()是什么呢？

智能指针的三个常用函数：

get() 获取智能指针托管的指针地址

// 定义智能指针
auto_ptr<Test> test(new Test);

Test *tmp = test.get();		// 获取指针返回
cout << "tmp->debug：" << tmp->getDebug() << endl;

但我们一般不会这样使用，因为都可以直接使用智能指针去操作，除非有一些特殊情况。
函数原型：

_NODISCARD _Ty * get() const noexcept
{	// return wrapped pointer
	return (_Myptr);
}

release() 取消智能指针对动态内存的托管

// 定义智能指针
auto_ptr<Test> test(new Test);

Test *tmp2 = test.release();	// 取消智能指针对动态内存的托管
delete tmp2;	// 之前分配的内存需要自己手动释放

也就是智能指针不再对该指针进行管理，改由管理员进行管理！
函数原型：

_Ty * release() noexcept
{	// return wrapped pointer and give up ownership
	_Ty * _Tmp = _Myptr;
	_Myptr = nullptr;
	return (_Tmp);
}

reset() 重置智能指针托管的内存地址，如果地址不一致，原来的会被析构掉

// 定义智能指针
auto_ptr<Test> test(new Test);

test.reset();			// 释放掉智能指针托管的指针内存，并将其置NULL

test.reset(new Test());	// 释放掉智能指针托管的指针内存，并将参数指针取代之

reset函数会将参数的指针(不指定则为NULL)，与托管的指针比较，如果地址不一致，那么就会析构掉原来托管的指针，然后使用参数的指针替代之。然后智能指针就会托管参数的那个指针了。
函数原型：

void reset(_Ty * _Ptr = nullptr)
{	// destroy designated object and store new pointer
	if (_Ptr != _Myptr)
		delete _Myptr;
	_Myptr = _Ptr;
}

使用建议：

尽可能不要将auto_ptr 变量定义为全局变量或指针；

// 没有意义，全局变量也是一样
auto_ptr<Test> *tp = new auto_ptr<Test>(new Test);

除非自己知道后果，不要把auto_ptr 智能指针赋值给同类型的另外一个智能指针；
```
auto_ptr<Test> t1(new Test);
auto_ptr<Test> t2(new Test);
t1 = t2;	// 不要这样操作...
```
C++11 后auto_ptr 已经被“抛弃”，已使用unique_ptr替代！C++11后不建议使用auto_ptr。

auto_ptr 被C++11抛弃的主要原因

1). 复制或者赋值都会改变资源的所有权

// auto_ptr 被C++11抛弃的主要原因
auto_ptr<string> p1(new string("I'm Li Ming!"));
auto_ptr<string> p2(new string("I'm age 22."));

cout << "p1：" << p1.get() << endl;
cout << "p2：" << p2.get() << endl;

// p2赋值给p1后，首先p1会先将自己原先托管的指针释放掉，然后接收托管p2所托管的指针，
// 然后p2所托管的指针制NULL，也就是p1托管了p2托管的指针，而p2放弃了托管。
p1 = p2;	
cout << "p1 = p2 赋值后：" << endl;
cout << "p1：" << p1.get() << endl;
cout << "p2：" << p2.get() << endl;

2). 在STL容器中使用auto_ptr存在着重大风险，因为容器内的元素必须支持可复制和可赋值

vector<auto_ptr<string>> vec;
auto_ptr<string> p3(new string("I'm P3"));
auto_ptr<string> p4(new string("I'm P4"));

// 必须使用std::move修饰成右值，才可以进行插入容器中
vec.push_back(std::move(p3));
vec.push_back(std::move(p4));

cout << "vec.at(0)：" <<  *vec.at(0) << endl;
cout << "vec[1]：" <<  *vec[1] << endl;


// 风险来了：
vec[0] = vec[1];	// 如果进行赋值，问题又回到了上面一个问题中。
cout << "vec.at(0)：" << *vec.at(0) << endl;
cout << "vec[1]：" << *vec[1] << endl;

访问越界了！

3). 不支持对象数组的内存管理

auto_ptr<int[]> array(new int[5]);	// 不能这样定义

所以，C++11用更严谨的unique_ptr 取代了auto_ptr！

测试代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <vector>

using namespace std;

class Test {
public:
	Test() { cout << "Test的构造函数..." << endl; }
	~Test() { cout << "Test的析构函数..." << endl; }

	int getDebug() { return this->debug; }

private:
	int debug = 20;
};

// 不要定义为全局变量，没有意义
//auto_ptr<Test> test(new Test);

void memoryLeak1() {
	//Test *test = new Test;

	// 定义智能指针
	auto_ptr<Test> test(new Test);
	
	cout << "test->debug：" << test->getDebug() << endl;
	cout << "(*test).debug：" << (*test).getDebug() << endl;


	// get方法
	Test *tmp = test.get();		// 获取指针返回
	cout << "tmp->debug：" << tmp->getDebug() << endl;


	// release方法
	Test *tmp2 = test.release();	// 取消智能指针对动态内存的托管
	delete tmp2;	// 之前分配的内存需要自己手动释放


	// reset方法：重置智能指针托管的内存地址，如果地址不一致，原来的会被析构掉
	test.reset();			// 释放掉智能指针托管的指针内存，并将其置NULL
	test.reset(new Test());	// 释放掉智能指针托管的指针内存，并将参数指针取代之


	// 忠告：不要将智能指针定义为指针
	//auto_ptr<Test> *tp = new auto_ptr<Test>(new Test);

	// 忠告：不要定义指向智能指针对象的指针变量
	//auto_ptr<Test> t1(new Test);
	//auto_ptr<Test> t2(new Test);
	//t1 = t2;

	return;
}

int memoryLeak2() {
	//Test *test = new Test();

	// 定义智能指针
	auto_ptr<Test> test(new Test);

	// ...此处省略一万行代码

	// 发生某些异常，需要结束函数
	if (1) {
		return -1;
	}

	//delete test;
	return 1;
}


int main1(void) {

	//memoryLeak1();

	//memoryLeak2();

	//Test *test = new Test;
	//auto_ptr<Test> test(new Test);

	//cout << "test->debug：" << test->getDebug() << endl;
	//cout << "(*test).debug：" << (*test).getDebug() << endl;


	 auto_ptr 被C++11抛弃的主要原因
	//auto_ptr<string> p1(new string("I'm Li Ming!"));
	//auto_ptr<string> p2(new string("I'm age 22."));
	//
	//cout << "p1：" << p1.get() << endl;
	//cout << "p2：" << p2.get() << endl;

	//p1 = p2;
	//cout << "p1 = p2 赋值后：" << endl;
	//cout << "p1：" << p1.get() << endl;
	//cout << "p2：" << p2.get() << endl;



	// 弊端2.在STL容器中使用auto_ptr存在着重大风险，因为容器内的元素必须支持可复制
	vector<auto_ptr<string>> vec;
	auto_ptr<string> p3(new string("I'm P3"));
	auto_ptr<string> p4(new string("I'm P4"));

	vec.push_back(std::move(p3));
	vec.push_back(std::move(p4));

	cout << "vec.at(0)：" <<  *vec.at(0) << endl;
	cout << "vec[1]：" <<  *vec[1] << endl;


	// 风险来了：
	vec[0] = vec[1];
	cout << "vec.at(0)：" << *vec.at(0) << endl;
	cout << "vec[1]：" << *vec[1] << endl;


	// 弊端3.不支持对象数组的内存管理
	//auto_ptr<int[]> array(new int[5]);	// 不能这样定义
	return 0;
}

三、unique_ptr

auto_ptr是用于C++11之前的智能指针。由于 auto_ptr 基于排他所有权模式：两个指针不能指向同一个资源，复制或赋值都会改变资源的所有权。auto_ptr 主要有三大问题：

复制和赋值会改变资源的所有权，不符合人的直觉。
在 STL 容器中使用auto_ptr存在重大风险，因为容器内的元素必需支持可复制（copy constructable）和可赋值（assignable）。
不支持对象数组的操作

以上问题已经在上面体现出来了，下面将使用unique_ptr解决这些问题。

所以，C++11用更严谨的unique_ptr 取代了auto_ptr！

unique_ptr 和 auto_ptr用法几乎一样，除了一些特殊。

unique_ptr特性

基于排他所有权模式：两个指针不能指向同一个资源
无法进行左值unique_ptr复制构造，也无法进行左值复制赋值操作，但允许临时右值赋值构造和赋值
保存指向某个对象的指针，当它本身离开作用域时会自动释放它指向的对象。
在容器中保存指针是安全的

A. 无法进行左值复制赋值操作，但允许临时右值赋值构造和赋值

unique_ptr<string> p1(new string("I'm Li Ming!"));
unique_ptr<string> p2(new string("I'm age 22."));
	
cout << "p1：" << p1.get() << endl;
cout << "p2：" << p2.get() << endl;

p1 = p2;					// 禁止左值赋值
unique_ptr<string> p3(p2);	// 禁止左值赋值构造

unique_ptr<string> p3(std::move(p1));
p1 = std::move(p2);	// 使用move把左值转成右值就可以赋值了，效果和auto_ptr赋值一样

cout << "p1 = p2 赋值后：" << endl;
cout << "p1：" << p1.get() << endl;
cout << "p2：" << p2.get() << endl;

运行截图：

B. 在 STL 容器中使用unique_ptr，不允许直接赋值

vector<unique_ptr<string>> vec;
unique_ptr<string> p3(new string("I'm P3"));
unique_ptr<string> p4(new string("I'm P4"));

vec.push_back(std::move(p3));
vec.push_back(std::move(p4));

cout << "vec.at(0)：" << *vec.at(0) << endl;
cout << "vec[1]：" << *vec[1] << endl;

vec[0] = vec[1];	/* 不允许直接赋值 */
vec[0] = std::move(vec[1]);		// 需要使用move修饰，使得程序员知道后果

cout << "vec.at(0)：" << *vec.at(0) << endl;
cout << "vec[1]：" << *vec[1] << endl;

当然，运行后是直接报错的，因为vec[1]已经是NULL了，再继续访问就越界了。

C. 支持对象数组的内存管理

// 会自动调用delete [] 函数去释放内存
unique_ptr<int[]> array(new int[5]);	// 支持这样定义

除了上面ABC三项外，unique_ptr的其余用法都与auto_ptr用法一致。

构造

class Test {
public:
	Test() { cout << "Test的构造函数..." << endl; }
	~Test() { cout << "Test的析构函数..." << endl; }

	void doSomething() { cout << "do something......" << endl; }
};


// 自定义一个内存释放其
class DestructTest {
	public:
	void operator()(Test *pt) {
		pt->doSomething();
		delete pt;
	}
};

// unique_ptr<T> up; 空的unique_ptr，可以指向类型为T的对象
unique_ptr<Test> t1;

// unique_ptr<T> up1(new T());	定义unique_ptr,同时指向类型为T的对象
unique_ptr<Test> t2(new Test);

// unique_ptr<T[]> up;	空的unique_ptr，可以指向类型为T[的数组对象
unique_ptr<int[]> t3;

// unique_ptr<T[]> up1(new T[]);	定义unique_ptr,同时指向类型为T的数组对象
unique_ptr<int[]> t4(new int[5]);

// unique_ptr<T, D> up();	空的unique_ptr，接受一个D类型的删除器D，使用D释放内存
unique_ptr<Test, DestructTest> t5;

// unique_ptr<T, D> up(new T(以上是关于C++ 智能指针 - 全部用法详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 C++ - 指针和“智能指针”
 c++使用裸指针与智能指针返回数组详解
 C++智能指针详解:智能指针的引入
 C++ 智能指针详解（转）
 C++智能指针详解（真的很经典 ）
 C++ Boost 智能指针详解

C++ 智能指针 - 全部用法详解

目录

一、为什么要使用智能指针

二、auto_ptr

三、unique_ptr