C++从青铜到王者第二十五篇: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++从青铜到王者第二十五篇:C++智能指针相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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前言
一、常见面试题
1. malloc/free和new/delete的区别
- malloc/free和new/delete的共同点是：都是从堆上申请空间，并且需要用户手动释放。
- 不同的地方是：
- malloc和free是函数，new和delete是操作符。
- malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
- malloc申请的空间不会初始化，new可以初始化。
- malloc的返回值为void*, 在使用时必须强转，new不需要，因为new后跟的是空间的类型。
- malloc申请空间失败时，返回的是NULL，因此使用时必须判空，new不需要，但是new需要捕获异常。
- 申请自定义类型对象时，malloc/free只会开辟空间，不会调用构造函数与析构函数，而new在申请空间后会调用构造函数完成对象的初始化，delete在释放空间前会调用析构函数完成空间中资源的清理。
2. 内存泄漏
1.内存泄漏概念与危害
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。
代码如下：
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;
}
2.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。
3.如何检测内存泄漏（了解）
- 在linux下内存泄漏检测：Linux下几款内存泄露检测工具
- 在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
- 其他工具：内存泄露工具比较
4.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。需要下一条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。
- 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。
总结一下:内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
5.如何一次在堆上申请4G的内存？
当我们想在win32平台上堆上想开辟4G的内存空间0xffffffff的时候会发生错误。
代码如下：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
//1byte == 8bit
// 1KB = 1024byte
// 1MB = 1024KB
// 1GB = 1024MB
// 1TB = 1024GB
void* p1 = malloc(0xffffffff);
cout << p1 << endl;
return 0;
}
那如何在堆上开辟4G的空间呢？
因为32位的平台下，内存大小为4G，但是堆区差不多2G，所以不可能在32位的平台上一次在堆上开辟4G的内存。但是我们可以将编译器上的win32改为x64，在64位平台下，我们便可以一次性在堆上申请4G的内存了。
二、智能指针的使用及原理
1. 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。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
// 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
};
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _date;
};
int main()
{
int* p = new int;
SmartPtr<int> sp1(p);
cout << *sp1 << endl;
SmartPtr<int> sp2(new int);
*sp2 = 10;
cout << *sp2 << endl;
SmartPtr<Date> sp3(new Date);
sp3->_year = 2021;
sp3->_month = 9;
sp3->_date = 13;
cout << sp3->_year << ":" << sp3->_month << ":" << sp3->_date << endl;
SmartPtr<int> sp4(new int);
SmartPtr<int> sp5(sp4);
return 0;
}
上述的SmartPtr还能将其称为智能指针，因为它还具有指针的行为。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。
- 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。
2.auto_ptr
auto_ptr文档
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>
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
// C++98中设计的auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr
ap->_year = 2018;
return 0;
}
auto_ptr的实现原理：管理资源转移的思想，下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
// 所有智能指针的原理基本都是一样的
// RAII + operator*()/operator->() + 如何解决浅拷贝问题？
// 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
// 由于有解决浅拷贝方案不同，标准库给出了各种智能指针：
// C++98: auto_ptr
// C++11: unique_ptr shared_ptr&weak_tr
// C++98：auto_ptr
namespace yyw
{
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
//
// RAII : 保证资源可以自动释放
auto_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
{}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
// 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;
}
/
// 对象具有指针类似的行为
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
///
// 解决浅拷贝问题：auto_ptr能否采用深拷贝的方式来解决？
private:
T* _ptr;
};
}
int main()
{
yyw::auto_ptr<int> ap1(new int);
*ap1 = 100;
cout << *ap1 << endl;
yyw::auto_ptr<int> ap2(ap1);
cout << *ap2 << endl;
// 和我们对指针常规的认知有区别的
int* p1 = new int;
int* p2(p1);
*p1 = 10;
*p2 = 20;
delete p1;
p1 = p2 = nullptr;
// auto_ptr采用资源转移的方式虽然将浅拷贝的问题解决了，但是引用了新的问题
*ap2 = 2000;
//*ap1 = 1000; // 代码会崩溃，因为ap1当中的资源已经转移走了，ap1当中的指针指向的空
cout << *ap2 << endl;
//cout << *ap1 << endl;
yyw::auto_ptr<int> ap3(new int);
*ap3 = 300;
cout << *ap3 << endl;
yyw::auto_ptr<int> ap4(new int);
*ap4 = 400;
cout << *ap4 << endl;
ap3 = ap4;
cout << *ap3 << endl;
return 0;
}
auto_ptr的实现原理：管理转移释放权限的思想，下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
namespace yyw
{
// auto_ptr实现原理:RAII + operator*()/operator->() + 解决浅拷贝方式：资源管理权限(释放权利)转移
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _owner(false)
{
if (_ptr)
{
_owner = true;
}
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr&&_owner)
{
delete _ptr;
_owner = false;
}
}
// 对象具有指针类似的行为
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
:_ptr(ap._ptr)
,_owner(ap._owner)
{
ap._owner = false;
}
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
if (this != &ap)
{
if (_ptr&&_owner)
{
delete _ptr;
}
_ptr = ap._ptr;
_owner = ap._owner;
ap._owner = false;
}
return *this;
}
private:
T* _ptr;
bool _owner; // true: 当前对象对资源具有释放权利 fase: 当前对象对资源没有释放权利
};
}
void TestAutoPtr()
{
yyw::auto_ptr<int> ap1(new int);
*ap1 = 100;
yyw::auto_ptr<int> ap2(ap1);
// 和我们对指针常规的认知有区别的
int* p1 = new int;
int* p2(p1);
*p1 = 10;
*p2 = 20;
delete p1;
p1 = p2 = nullptr;
// auto_ptr采用资源转移的方式虽然将浅拷贝的问题解决了，但是引用了新的问题
if (ap2.get())
*ap2 = 2000;
if (ap1.get())
*ap1 = 1000; // 代码会崩溃，因为ap1当中的资源已经转移走了，ap1当中的指针指向的空
yyw::auto_ptr<int> ap3(new int);
*ap3 = 300;
yyw::auto_ptr<int> ap4(new int);
*ap4 = 400;
ap3 = ap4;
//
// 致命的缺陷---可以会导致野指针
if (true)
{
yyw::auto_ptr<int> ap5(ap2);
*ap5 = 100;
*ap2 = 200;
*ap1 = 300;
// 再来开if的作用域时，ap5已经将管理的资源释放掉了
// 而ap1和ap2根本就不知道，其内部的指针称为野指针了
}
// 如果通过ap1和ap2再访问资源时，代码就会出问题
*ap2 = 10;
}
int main()
{
TestAutoPtr();
return 0;
}
3.unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory>
int main()
{
unique_ptr<int> up1(new int);
// unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值
unique_ptr<int> up2(up1);
unique_ptr<int> up3(new int);
up3 = up1;
return 0;
}
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
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
// unique_ptr: RAII + operator*()/operator->()+解决浅拷贝方式：禁止拷贝---资源独占
// 一份资源只能被一个对象来进行管理，对象之间不能共享资源
// 应用场景：只能应用与资源被一个对象管理 并且不会被共享的场景当中
// 缺陷：多个对象之间不能共享资源
// 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 yyw
{
// 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);
}
}
// 具有指针类似的行为
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator<以上是关于C++从青铜到王者第二十五篇: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