[C++] 智能指针
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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。
目录
1. 为什么需要智能指针?
我们在使用指针时一般都需要向内存申请一块内存空间进行使用，但是如果忘记对该块空间进行释放，就造成了内存泄漏。
并且如果在申请内存的使用时间，程序中有异常处理，并且抛出了异常，那么这个过程中没有进行空间的释放，同样造成了内存泄漏。
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
所以为了避免上述情况的出现，引入了只能指针，使用智能指针进行资源的管理，就可以避免上述问题。
2. RAII (资源获取及初始化)
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。
巧妙利用编译器会自动调用构造函数以及析构函数的特性，来完成资源的自动释放。实际就是定义一个指针类，使用其构造函数与析构函数进行资源的管理。
构造函数: 在对象构造时获取资源，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。
析构函数: 释放资源
优点
- 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周期内始终保持有效
2.1 RAII方式的原理
注意: 只能指针的类中，构造函数中不能申请空间，而是由用户在外部自己申请空间，传递到只能指针的类中去管理该资源。
智能指针只是将资源管理起来，找一个合适的时机去释放。
// 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;
}
// 让该类对象具有指针类似的操作就可以了
T& operator*(){
return *ptr;
}
// -> 只能指针指向对象或者结构体的这些场景中
T* operator->(){
return ptr;
}
private:
T* _ptr; // 采用类将指针管理起来
};
void MergeSort(int* a, int n)
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
// 将tmp指针委托给了sp对象，给tmp指针找了一个可怕的女朋友！天天管着你，直到你go die^^
SmartPtr<int> sp(tmp);
// _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
// 这里假设处理了一些其他逻辑
vector<int> v(1000000000, 10);
// ...
}
如上只是实现了资源的管理，但是该类不能使用指针独有的操作，所以需要重载指针的一些操作符。
2.2 重大问题
上述代码中没有提供拷贝构造函数，那么如果进行拷贝时，会调用编译器提供的默认拷贝构造函数。智能指针不能申请资源，只能替用户管理资源，因此不能使用深拷贝来代替浅拷贝
如何解决: C++标准库中提供了，最优解，下面会介绍到。
2.3 智能指针原理
所以智能指针的原理: RAII + operator*() / operator->() + 解决浅拷贝问题
RAII: 能够保证资源可以被自动释放
operator()/operator->()*: 可以保证对象能够按照指针的方式来运行
解决浅拷贝的方式：可能保证资源不被释放多次而引起代码崩溃的问题
3. C++98 auto_ptr(不要用)
RAII + operator*() / operator->() + 解决浅拷贝问题
3.1 解决浅拷贝的方式一
auto_ptr: 解决浅拷贝使用的是资源转移
当发生拷贝或赋值时，将被拷贝对象中的资源转移给新对象，然后让被拷贝对象与资源断开联系
但是同时只能有一个指针被使用，另外一个指针就没有指向了
// 解决浅拷贝方式：资源转移
// auto_ptr<int> ap2(ap1)
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
: _ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
// ap1 = ap2;
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
if (this != &ap)
{
// 此处需要将ap中的资源转移给this
// 但是不能直接转移，因为this可能已经管理资源了，否则就会造成资源泄漏
if (_ptr)
{
delete _ptr;
}
// ap就可以将其资源转移给this
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr; // 让ap与之前管理的资源断开联系，因为ap中的资源已经转移给this了
}
return *this;
}
3.2 解决浅拷贝的方式二
资源管理权限转移
如果发生了拷贝或者赋值，不断开原来指针与资源块的联系，而是将资源的释放权限交给新指针，但是会造成野指针问题，因为新指针一旦析构，就会释放资源，而老指针还指向那块空间
4. C++11 unique_ptr
RAII + operator*() / operator->() + 解决浅拷贝问题
浅拷贝解决方式: 资源独占
禁止拷贝，一份资源只能让一个对象管理，对象间不能共享资源。
使用场景: 只能应用于资源被一个对象管理，并且资源不会共享的场景中。
如何实现
让编译器不生成默认的拷贝构造以及赋值运算符的重载。
C++11中: delete关键字，可以用其修饰默认的成员函数，表明编译器不会生成修饰的成员函数。
C++98中: 将拷贝构造函数以及赋值运算符重载只声明不定义，并且把访问权限设置为私有。
只声明不定义，没有将权限设置为private，仍然可以在类外进行定义。
4.1 管理的资源多样如何释放
管理的资源可能是从堆上申请的空间，也可能是文件指针等等
定制删除器: 此处的释放方式不能写死，应该按照资源的不同类型对应不同的释放方式。
定义只能指针类时，模板参数加上资源释放的方式，用户自定义资源释放的类，自己指定释放资源的方法。在初始化智能指针时，就该把资源的释放方式确定下来，在初始化模板参数时就传入释放资源的类。
4.2 模拟实现
// 负责释放new资源
template<class T>
class DFDef
{
public:
void operator()(T*& ptr)
{
if (ptr)
{
delete ptr;
ptr = nullptr;
}
}
};
// 负责：malloc的资源的释放
template<class T>
class Free
{
public:
void operator()(T*& ptr)
{
if (ptr)
{
free(ptr);
ptr = nullptr;
}
}
};
// 关闭文件指针
class FClose
{
public:
void operator()(FILE* & ptr)
{
if (ptr)
{
fclose(ptr);
ptr = nullptr;
}
}
};
namespace test
{
// T: 资源中所放数据的类型
// DF: 资源的释放方式
// 定制删除器
template<class T, class DF = DFDef<T>>
class unique_ptr
{
public:
/
// RAII
unique_ptr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
// 问题：_ptr管理的资源：可能是从堆上申请的内存空间、文件指针、malloc空间...
// delete _ptr; // 注意：此处的释放资源的方式不能写死了，应该按照资源类型不同找对应的方式释放
// malloc--->free
// new---->delete
// fopen--->fclose关闭
DF df;
df(_ptr);
}
}
// C++11: 可以让编译器不生成默认的拷贝构造以及赋值运算符重载---delete
// 在C++11当中，delete关键字的功能扩展：释放new申请的空间 用其修饰默认成员函数，表明：编译器不会生成了
unique_ptr(const unique_ptr<T,DF>&) = delete; // 表明：编译器不会生成默认的拷贝构造函数
unique_ptr<T,DF>& operator=(const unique_ptr<T,DF>&) = delete;// 表明：编译器不会生成默认的赋值运算符重载
private:
unique_ptr(const unique_ptr<T,DF>&);
unique_ptr<T,DF>& operator=(const unique_ptr<T,DF>&);
private:
T* _ptr;
};
// 用户在外部可以对方法进行定义---在unique_ptr的类中如果将该权限设置为private的
//template<class T>
//unique_ptr<T>::unique_ptr(const unique_ptr<T>& up)
//{}
}
5. C++11 shared_ptr
多个对象之间可以共享资源
5.1 如何解决浅拷贝
采用引用计数的方式解决浅拷贝
引用计数: 实际是一个整型的空间，记录着资源的对象的个数。释放资源时，判断有没有其它对象在使用资源，没有的话就释放掉资源。
5.2 实现原理
拷贝时:
新对象要与之前的对象共享所有资源，并且计数器进行++
释放时:
1.先检测资源是否还存在
2.存在的话，先对计数器–，检测计数器当前是否为0
- =0: 当前对象是最后使用该资源的对象，需要将资源以及计数器进行释放。
- !=0: 还有其他对象在使用资源，当前对象不需要释放，如果释放了就会造成其它对象变成野指针。
5.3 多线程使用时的问题
上述操作在单线程下不会出现问题，但是在多线程中有多个执行流。
多个线程共享一份资源，多个线程在结束时需要将其管理的资源释放掉，多个线程可能会同时释放同一份空间，计数器的操作不是原子性的，所以多个线程判断当前资源都还有人在使用，导致资源没有释放，而引起内存泄漏。
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。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的
解决方案
1.加锁，保证计数器的操作是安全的
2.把计数器改为原子操作
C++11中的share_ptr，自身是线程安全的，标准库中是按照原子类型变量实现的 atomic_int
5.4 缺陷- 循环引用
struct ListNode
{
shared_ptr<ListNode> next;
shared_ptr<ListNode> prev;
//weak_ptr<ListNode> next;
//weak_ptr<ListNode> prev;
int data;
ListNode(int x)
//: data(x)
: next(nullptr)
, prev(nullptr)
, data(x)
{
cout << "ListNode(int):" << this << endl;
}
~ListNode()
{
cout << "~ListNode():" << this << endl;
}
};
void TestLoopRef()
{
shared_ptr<ListNode> sp1(new ListNode(10));
shared_ptr<ListNode> sp2(new ListNode(20));
cout << sp1.use_count() << endl; // 1
cout << sp2.use_count() << endl; // 1
sp1->next = sp2;
sp2->prev = sp1;
cout << sp1.use_count() << endl; // 2
cout << sp2.use_count() << endl; // 2
}
上述代码导致的后果就是内存泄漏，释放资源时没有调用析构函数。
什么是循环引用
函数中sp1 ，sp2之间互相引用，两个资源的引用计数为2，当要跳出函数时，智能指针sp1 ，sp2析构时两个资源引用计数会减一，但是两者引用计数还是为1，导致跳出函数时资源没有被释放（析构函数没有被调用），如果把其中一个改为weak_ptr就可以了，我们把类种里面的shared_ptr 指针; 改为weak_ptr 指针; 运行结果如下，这样的话，资源B的引用开始就只有1，当pb析构时，B的计数变为0，B得到释放，B释放的同时也会使A的计数减一，同时pa析构时使A的计数减一，那么A的计数为0，A得到释放
5.5 weak_ptr
weak_ptr的作用，配合shared_ptr解决循环引用问题。weak_ptr不能独立管理资源
不控制对象生命周期，指向一个shared_ptr管理的对象，只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak_ptr设计的目的为了配合shared_ptr解决循环引用，导致无法释放内存空间的问题。weak_ptr的构造和析构不会造成引用计数的增加或者减少
原理
实际上shared_ptr维护了两块计数器，一份用来记录shared_ptr的使用次数，一份用来记录weakptr的使用次数。weak_ptr指向资源，shared_ptr的use计数器不懂，weak计数器+1
销毁时
当一个资源被shared_ptr类型的对象共享时，给use+1
当一个资源被weak_ptr类型的对象时，给weak+1
销毁时: 先给use-1，确认资源能够释放，再给weak-1，确认资源能释放
5.5 代码实现
#include <mutex>
namespace test
{
// shared_ptr: 自身才是安全的---加锁：为了保证shared_ptr自身的安全性
template<class T, class DF = DFDef<T>>
class shared_ptr
{
public:
//
// RAII
shared_ptr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pCount(nullptr)
, _pMutex(new mutex)
{
if (_ptr)
{
// 此时只有当前刚刚创建好的1个对象在使用该份资源
_pCount = new int(1);
}
}
~shared_ptr()
{
Release();
}
/
// 具有指针类似的行为
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* Get()
{
return _ptr;
}
//
// 用户可能需要获取引用计数
int use_count()const
{
return *_pCount;
}
///
// 解决浅拷贝方式：采用引用计数
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
: _ptr(sp._ptr)
, _pCount(sp._pCount)
, _pMutex(sp._pMutex)
{
AddRef();
}
shared_ptr<T, DF>& operator=(const shared_ptr<T, DF>& sp)
{
if (this != &sp)
{
// 在和sp共享之前，this先要将之前的状态清空
Release();
// this就可以和sp共享资源以及计数了
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
_pMutex = sp._pMutex;
AddRef();
}
return *this;
}
private:
void AddRef()
{
if (nullptr == _ptr)
return;
_pMutex->lock();
++(*_pCount);
_pMutex->unlock();
}
void Release()
{
if (nullptr == _ptr)
return;
bool isDelete = false;
_pMutex->lock();
if (_ptr && 0 == --(*_pCount))
{
// delete _ptr;
DF df;
df(_ptr);
delete _pCount;
_pCount = nullptr;
isDelete = true;
}
_pMutex->unlock();
if (isDelete)
{
delete _pMutex;
}
}
private:
T* _ptr; // 用来接收资源的
int* _pCount; // 指向了引用计数的空间---记录的是使用资源的对象的个数
mutex* _pMutex; // 目的：保证对引用计数的操作是安全的
};
}
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
指向外部托管（例如：Python）资源的 C++ 智能指针？