shared_ptr 和 unique_ptr

Posted 2020-08-15 peki10

1.C++ 标准库智能指针

c++11标准废除乐auto_ptr,

使用这些智能指针作为将指针封装为纯旧 C++ 对象 (POCO) 的首选项。

• unique_ptr 
  只允许基础指针的一个所有者。 除非你确信需要 shared_ptr，否则请将该指针用作 POCO 的默认选项。 可以移到新所有者，但不会复制或共享。 替换已弃用的auto_ptr。 与 boost::scoped_ptr 比较。 unique_ptr 小巧高效；大小等同于一个指针且支持 rvalue 引用，从而可实现快速插入和对 STL 集合的检索。 头文件：<memory>。 有关更多信息，请参见如何：创建和使用 unique_ptr 实例和unique_ptr 类。

• shared_ptr 
  采用引用计数的智能指针。 如果你想要将一个原始指针分配给多个所有者（例如，从容器返回了指针副本又想保留原始指针时），请使用该指针。 直至所有shared_ptr 所有者超出了范围或放弃所有权，才会删除原始指针。 大小为两个指针；一个用于对象，另一个用于包含引用计数的共享控制块。 头文件：<memory>。 有关更多信息，请参见如何：创建和使用 shared_ptr 实例和shared_ptr 类。

• weak_ptr 
  结合 shared_ptr 使用的特例智能指针。 weak_ptr 提供对一个或多个 shared_ptr 实例拥有的对象的访问，但不参与引用计数。 如果你想要观察某个对象但不需要其保持活动状态，请使用该实例。 在某些情况下，需要断开 shared_ptr 实例间的循环引用。 头文件：<memory>。 有关更多信息，请参见如何：创建和使用共享 weak_ptr 实例和weak_ptr 类。

http://www.cnblogs.com/Kai-Xing/p/4414239.html

C++中的动态内存管理是通过new和delete两个操作符来完成的。new操作符，为对象分配内存并调用对象所属类的构造函数，返回一个指向该对象的指针。delete调用时，销毁对象，并释放对象所在的内存。但在程序中使用new和delete容易导致很多问题，这里列出三个比较容易犯的错误。

1. 我们new了一个对象，但没有delete它。这会引起memory leak内存泄露，可能会导致程序崩溃。
2. 用指针访问一个已经被free的对象。这就是我们常说的dangling pointer。
3. delelte同一个内存区域两次。如果两个指针指向同一个内存区域，那我们delete一个指针后，再用另一个指针访问其指向的内存区域就会出现问题。

为了解决上面的问题，方便动态内存管理，c++提出了smart pointer的概念，在STL库中对应的实现主要有两种：shared_ptr、unique_ptr。下面我们主要介绍这两种smart pointer。

1. shared_ptr：是一个模板类，定义在<memory>头文件里。shared_ptr对象会在其作用域结束时，自动销毁，如果该shared_ptr是指向某对象A的最后一个shared_ptr，那么A所在的内存会被释放。应用举例：shared_ptr<int> p(new int(4)); 或者用make_shared<T>()函数生成shared_ptr，shared_ptr<int> p = make_shared<int>(4)。
2. unique_ptr：也是一个模板类，同样定义在<memory>头文件里。与shared_ptr不同的是，unique_ptr是自己”拥有“一个指向的对象，也就是说不同有两个或者以上的unique_ptr指向同一个对象。在一个unique_ptr对象的作用域结束时，unique_ptr指向的对象的内存被释放。为了保证unique_ptr对对象的独有性，赋值、复制操作是不允许的。但有一个例外，我们可以在函数中return一个unique_ptr。应用举例：unique_ptr<int> p(new int(4))。unique_ptr是c++11引入的，其之前对应的是auto_ptr，与unique_ptr不同的是，我们不能再函数中返回auto_ptr对象。

在程序中运用smart pointer还有一个优点，就是smart pointer保证其指向的动态内存被释放不论程序是否正常结束，而new和delete不能保证这一点。shared_ptr和unique_ptr在释放对象内存时默认用delete，不过我们可以指定自己的deleter，具体内容可参考C++ Primier Dynamic Memory部分。

 2. 智能指针使用注意事项

2.1 shared_ptr

shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数（reference counting），每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。

shared_ptr 可以通过三种方式得到（拷贝初始化

1.通过一个指向堆上申请的空间的指针初始化（切记不要用栈上的指针，否则，当智能指针全部释放控制权（栈中的对象离开作用域本身就会析构一次），将会析构对象，导致出错）
2.通过make_shared函数得到
3.通过另外一个智能指针初始化

std::shared_ptr<int> bptr(p);//方式1 
std::shared_ptr<int> aptr = std::make_shared<int>(2);//方式 2
std::shared_ptr<int> cptr(aptr);  //方式3

2.1.1 禁止纯指针给智能指针赋值或者拷贝构造

int* a=new int(2);
shared_ptr<int>sp=a;// error
sp=a;// error

2.1.2 shared_ptr多次引用同一数据，会导致两次释放同一内存

{
int* pInt = new int[100];
shared_ptr<int> sp1(pInt);
// 一些其它代码之后…
shared_ptr<int> sp2(pInt);
}

2.1.3 使用shared_ptr包装this指针带来的问题

参考：enable_shared_from_this

class tester 
{
public:
  tester()
  ~tester()
  {
    std::cout << "析构函数被调用!\\n"; 
  }
public:
  shared_ptr<tester> sget()
  {
    return shared_ptr<tester>(this);
  }
};

int main()
{
  tester t;
  shared_ptr<tester> sp =  t.sget(); // …
  return 0;
}

也将导致两次释放t对象破坏堆栈，一次是出栈时析构，一次就是shared_ptr析构。若有这种需要，可以使用下面代码

class tester : public enable_shared_from_this<tester>
{
public:
  tester()
  ~tester()
  {
  std::cout << "析构函数被调用!\\n"; 
  }
public:
 shared_ptr<tester> sget()
  {
  return shared_from_this();
  }
};

int main()
{
  shared_ptr<tester> sp(new tester);
  // 正确使用sp 指针。
  sp->sget();
  return 0;
}

std::enable_shared_from_this 能让一个对象（假设其名为 t ，且已被一个 std::shared_ptr 对象 pt 管理）安全地生成其他额外的 std::shared_ptr 实例（假设名为 pt1, pt2, ... ） ，它们与 pt 共享对象 t 的所有权。

当类A被share_ptr管理，且在类A的成员函数里需要把当前类对象作为参数传给其他函数时，就需要传递一个指向自身的share_ptr。

a.为何不直接传递this指针

使用智能指针的初衷就是为了方便资源管理，如果在某些地方使用智能指针，某些地方使用原始指针，很容易破坏智能指针的语义，从而产生各种错误。

b.可以直接传递share_ptr<this>么？

答案是不能，因为这样会造成2个非共享的share_ptr指向同一个对象，未增加引用计数导对象被析构两次。

c.为何会出现这种使用场合

因为在异步调用中，存在一个保活机制，异步函数执行的时间点我们是无法确定的，然而异步函数可能会使用到异步调用之前就存在的变量。为了保证该变量在异步函数执期间一直有效，我们可以传递一个指向自身的share_ptr给异步函数，这样在异步函数执行期间share_ptr所管理的对象就不会析构，所使用的变量也会一直有效了（保活）。

2.1.4 shared_ptr循环引用导致内存泄露

typedef shared_ptr<parent> parent_ptr;
typedef shared_ptr<child> child_ptr; 

class parent
{
public:
       ~parent() { 
              std::cout <<"父类析构函数被调用.\\n"; 
       }
public:
       child_ptr children;
};

class child
{
public:
       ~child() { 
              std::cout <<"子类析构函数被调用.\\n"; 
       }
public:
       parent_ptr parent;
};

int main()
{
  parent_ptr father(new parent());
  child_ptr son(new child);
  // 父子互相引用。
  father->children = son;
  son->parent = father;
  return 0;
}

如上代码，将在程序退出前，father的引用计数为2，son的计数也为2，退出时，shared_ptr所作操作就是简单的将计数减1，如果为0则释放，显然，这个情况下，引用计数不为0，于是造成father和son所指向的内存得不到释放，导致内存泄露

2.1.5 没有std::shared_ptr<T[]>.所以shared_ptr只能管理单个对象，而不能管理对象数组

2.1.6 shared_ptr reset

reset()包含两个操作。当智能指针中有值的时候，调用reset()会使引用计数减1.当调用reset（new xxx())重新赋值时，智能指针首先是生成新对象，然后将就对象的引用计数减1（当然，如果发现引用计数为0时，则析构旧对象），然后将新对象的指针交给智能指针保管。

3.应用举例

 1 #include <memory>
 2 using namespace std;
 3 
 4 int main(){
 5     shared_ptr<int> p(new int(4));
 6     shared_ptr<int> p2 = make_shared<int>(4);
 7     cout << *p << " ";
 8     unique_ptr<int> p3(new int(4));
 9     cout << *p3 << " ";
10     return 0;
11 }

 

//unique智能指针的所有权问题，这个时候就需要使用std::move：

#include<iostream>
#include<vector>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    vector<unique_ptr<int>> vec;
    unique_ptr<int> sp(new int(126));

    //vec.push_back(1);

    vec.push_back(std::move(sp));//尝试引用已删除的函数
    cout << *vec[0]<< endl;  // 输出126
    //cout << *sp << endl;
    return 0;
}