C++ 浅析智能指针

Posted 2022-12-12 Readtears

引言：

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制，程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete，流程太复杂，最终导致没有 delete，异常导致程序过早退出，没有执行 delete 的情况并不罕见。

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RAII(Resource Acquisition Is Initialization)

资源分配即初始化，定义一个类来封装资源的分配和释放，在构造函数完成资源的分配和初始化，在析构函数完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放。

所谓智能指针就是智能/自动化的管理指针所指向的动态资源的释放。

STL--auto_ptr

Boost库的智能指针（ps:新的C++11标准中已经引入了unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr）

在这里，对于aut_optr，scoped_ptr , shared_ptr 进行剖析

一. aut_optr

std::auto_ptr 属于 STL，当然在 namespace std 中，包含头文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。为了解决单个对象被重复释放多次的情况，我们使用的aut_optr的目的就是转移权限，顾名思义就是说再拷贝构造新的对象时，由于此时有两个对象指向同一块空间，所以将原来的指针赋NULL，然后将这块空间的所有权交给新的对象指针。

对应代码：<AutoPtr>

#include<iostream>
using namespace std;
 
template<class T>
class AutoPtr

public:
    AutoPtr(T* ptr)
    :_ptr(ptr)
    
 
    AutoPtr()
    :_ptr(NULL)
    
 
    AutoPtr<T>(AutoPtr<T>& ap)   //权限转移
        : _ptr(ap._ptr)
    
        ap._ptr = NULL;
    
 
    AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
    
        if (&ap != this)
        
            delete _ptr;
            _ptr = ap._ptr;
            ap._ptr = NULL;   //权限转移
        
        return *this;
    
 
    ~AutoPtr()
    
        if (_ptr)
        
            delete _ptr;
            _ptr = NULL;
        
    
 
    T& operator*()
    
        return *_ptr;
    
 
private:
    T* _ptr;
;
 
void Test()

    AutoPtr<int> ap1(new int(2));
    AutoPtr<int> ap2 = ap1;
    AutoPtr<int> ap3(new int(3));
    ap3 = ap1;

 
int main()

    Test();
    return 0;

虽然表面上解决了重复释放的问题，但是却存在一个很大问题，请看右图：

（先忽略 s 的存在）

若有s2对象，指向自己的一块空间，现在要拷贝构造一个s3对象，那么顺应上面的代码，s2会被置NULL,而这块空间重归s3所管理。

如果考虑到这块空间已经有多个指针指向，即s和s2,那么再拷贝构造s3时，s2被置空，此时，s变成垂悬指针。这就是一个打的问题所在！

二. scoped_ptr

实用的智能指针，思想就是防拷贝，在大多时候用不到拷贝构造和赋值运算符重载，那么我们做的就是写出构造函数和析构函数，拷贝构造和赋值运算符重载只声明不定义。这里有几点要说明：

<1>在代码中，将拷贝构造和赋值运算符重载设置成保护或者私有的，为什么？世界之大，总有些人想害朕。。话归主题，原因是防止有坏人在外面修改，倘若被修改也不会调用修改的，因为无法访问得到。

<2>为什么要声明拷贝构造和赋值函数，原因是如果不声明，编译器会调用自己默认的构造和赋值函数，那么防拷贝就无从谈起。

代码如下：<ScopedPtr>

#include<iostream>
using namespace std;
 
template<class T>
class ScopedPtr

public:
    ScopedPtr(T* ptr)
        :_ptr(ptr)
    
 
    Scoped()
        :_ptr(NULL)
    
 
    ~ScopedPtr()
    
        if (_ptr)
        
            delete _ptr;
            _ptr = NULL;
        
    
 
    T& operator*()
    
        return *_ptr;
    
    T* operator->()
    
        return _ptr;
    
 
    T* GetPtr()
    
        return _ptr;
    
 
protected:
    ScopedPtr<T>(const ScopedPtr<T>& sp);// 只声明不定义，防拷贝
    ScopedPtr<T>& operator = (const ScopedPtr<T>& sp);
 
private:
    T* _ptr;
;
 
void Test()

    ScopedPtr<int> sp1(new int(2));
    ScopedPtr<int> sp2 = sp1;
    ScopedPtr<int> sp3(new int(3));
    sp3 = sp1;

 
int main()

    Test();
    return 0;

auto_ptr和scopedptr的取舍：

boost::scoped_ptr 用于确保动态分配的对象能够被正确地删除。scoped_ptr 有着与std::auto_ptr类似的特性，而最大的区别在于它不能转让所有权而auto_ptr可以。事实上，scoped_ptr永远不能被复制或被赋值！scoped_ptr 拥有它所指向的资源的所有权，并永远不会放弃这个所有权。scoped_ptr的这种特性提升了我们的代码的表现，我们可以根据需要选择最合适的智能指针(scoped_ptr 或 auto_ptr)。要决定使用std::auto_ptr还是boost::scoped_ptr, 就要考虑转移所有权是不是你想要的智能指针的一个特性。如果不是，就用scoped_ptr. 它是一种轻量级的智能指针；使用它不会使你的程序变大或变慢。它只会让你的代码更安全，更好维护。

三. sharede_ptr

在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权，不允许赋值、拷贝，boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的，由于要共享所有权，其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。

这个智能指针解决了auto_ptr独占的问题，采用引用计数的方法，一旦最后一个这样的指针被销毁，也就是一旦某个对象的引用计数变为0，这个对象会被自动删除。这在非环形数据结构中防止资源泄露很有帮助。

用法：删除共用对象

对应代码：<SharedPtr>

#include<iostream>
using namespace std;
 
template<class T>
class SharedPtr

public:
    SharedPtr(T* ptr)
        :_ptr(ptr)
        , _pCount(new long(1))
    
 
    SharedPtr()
        :_ptr(NULL)
        , _pCount(new long(1))
    
 
    SharedPtr<T>(const SharedPtr<T>& sp)
        : _ptr(sp._ptr)
        , _pCount(sp._pCount)
    
        ++(*_pCount);
    
 
    SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
    
        if (&sp != this)
        
            if (--(*_pCount) == 0) // 减到0释放对象一次
            
                delete _ptr;
                delete _pCount;
            
            _ptr = sp._ptr;
            _pCount = sp._pCount;
            ++(*_pCount);
        
        return *this;
    
 
    ~SharedPtr()
    
        if (_ptr)
        
            if (--(*_pCount) == 0)
            
                delete _ptr;
                delete _pCount;
            
        
    
 
    T& operator*()
    
        return *_ptr;
    
    
    T* operator->()
    
        return _ptr;
    
 
    long GetCount()
    
        return *(_pCount);
    
 
    T* GetPtr()
    
        return _ptr;
    
 
private:
    T* _ptr;
    long* _pCount;
;
 
 
void Test()

    SharedPtr<int> sp1 = new int(1);
    SharedPtr<int> sp2 = sp1;
    SharedPtr<int> sp3 = new int(2);
    sp3 = sp1;

 
 
int main()

    Test();

    return 0;

但是shared_ptr看起来完美，但是也存在一下问题：

  1.  引用计数更新存在着线程安全

  2.循环引用

  3.定置删除器

我们先在这里讨论第二种情况，即循环引用问题

我们引出循环引用的场景图：

此时，两个节点的引用计数都为2，因为有两个指针分别指向a和b，此时就有了一个问题，_next析构时等着_prev析构，_prev要析构，只能b析构；而_prev也在等_next析构，_next要析构，只能a析构。这样就有个问题类似”你等我，我等你，无休止，永远不会析构，一直循环“。

要解决这个问题，就又要引出弱指针：weak_ptr

weak_ptr唯一的功能就是解决shared_ptr的循环引用问题，那是怎么解决的呢？

我们看代码：

#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>
using namespace boost;

struct ListNode

     shared_ptr<ListNode > _prev;
     shared_ptr<ListNode > _next;

     //weak_ptr<ListNode > _prev; // 在此，weak_ptr可以解决循环引用的问题
     //weak_ptr<ListNode > _next;

    ~ ListNode()
    
         cout<<"~ListNode()" <<endl;
    
;

void Test ()

     // 循环引用问题
     shared_ptr <ListNode > p1( new ListNode ());
     shared_ptr <ListNode > p2( new ListNode ());

     cout <<"p1->Count:" << p1. use_count()<<endl ;// use_count是库里的引用计数
     cout <<"p2->Count:" << p2. use_count()<<endl ;

     // p1节点的_next指向 p2节点
     p1->_next = p2;
     // p2节点的_prev指向 p1节点 
     p2->_prev = p1;

     cout <<"p1->Count:" << p1. use_count ()<<endl ;
     cout <<"p2->Count:" << p2. use_count ()<<endl ;

这样问题就得到了解决。

至此，我们也知道了，当需要写一个智能指针时，我们尽可能的去写scoped_ptr或者shared_ptr，而千万不要写auto_ptr，问题上面已经详细分解。

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