智能指针原理及实现- shared_ptr

Posted 2020-10-25 guhowo

0、异常安全

C++没有内存回收机制，每次程序员new出来的对象需要手动delete，流程复杂时可能会漏掉delete，导致内存泄漏。于是C++引入智能指针，可用于动态资源管理，资源即对象的管理策略。

使用 raw pointer 管理动态内存时，经常会遇到这样的问题：

• 忘记delete内存，造成内存泄露。
• 出现异常时，不会执行delete，造成内存泄露。

下面的代码解释了，当一个操作发生异常时，会导致delete不会被执行：

1 void func() 
2 {
3     auto ptr = new Widget;
4     // 执行一个会抛出异常的操作
5     func_throw_exception();
6     
7     delete ptr;
8 }

在C++98中，为了写出异常安全的代码，代码经常写的很笨拙，如下：

 1 void func() 
 2 {
 3     auto ptr = new Widget;
 4     try {
 5         func_throw_exception();
 6     }
 7     catch(...) {
 8         delete ptr;
 9         throw; 
10     }
11     delete ptr;
12 }

使用智能指针能轻易写出异常安全的代码，因为当对象退出作用域时，智能指针将自动调用对象的析构函数，避免内存泄露。

一、智能指针shared_ptr

智能指针主要有三种：shared_ptr，unique_ptr和weak_ptr。

 shared_ptr

shared_ptr是最常用的智能指针（项目中我只用过shared_ptr）。shared_ptr采用了引用计数器，多个shared_ptr中的T *ptr指向同一个内存区域（同一个对象），并共同维护同一个引用计数器。shared_ptr定义如下,记录同一个实例被引用的次数，当引用次数大于0时可用，等于0时释放内存。

注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。

1 temple<typename T>
2 class SharedPtr {
3 public:
4    ... 
5 private:
6     T *_ptr;
7     int *_refCount;     //should be int*, rather than int
8 };

shared_ptr对象每次离开作用域时会自动调用析构函数，而析构函数并不像其他类的析构函数一样，而是在释放内存是先判断引用计数器是否为0。等于0才做delete操作，否则只对引用计数器左减一操作。

1 ~SharedPtr()
2 {
3     if (_ptr && --*_refCount == 0) {
4         delete _ptr;
5         delete _refCount;
6     }
7 }

 

接下来看一下构造函数，默认构造函数的引用计数器为0，ptr指向NULL：

1 SharedPtr() : _ptr((T *)0), _refCount(0)
2 {
3 }

用普通指针初始化智能指针时，引用计数器初始化为1：

1 SharedPtr(T *obj) : _ptr(obj), _refCount(new int(1))
2 {
3 } //这里无法防止循环引用，若我们用同一个普通指针去初始化两个shared_ptr，此时两个ptr均指向同一片内存区域，但是引用计数器均为1，使用时需要注意。

拷贝构造函数需要注意，用一个shared_ptr对象去初始化另一个shared_ptr对象时，引用计数器加一，并指向同一片内存区域：

1 SharedPtr(SharedPtr &other) : _ptr(other._ptr), _refCount(&(++*other._refCount))
2 {
3 }

 

赋值运算符的重载

当用一个shared_ptr<T> other去给另一个 shared_ptr<T> sp赋值时，发生了两件事情：

一、sp指针指向发生变化，不再指向之前的内存区域，所以赋值前原来的_refCount要自减

二、sp指针指向other.ptr，所以other的引用计数器_refCount要做++操作。

 1 SharedPtr &operator=(SharedPtr &other)
 2 {
 3     if(this==&other)
 4         return *this;
 5         
 6     ++*other._refCount;
 7     if (--*_refCount == 0) {
 8         delete _ptr;
 9         delete _refCount;
10     }
11         
12     _ptr = other._ptr;
13     _refCount = other._refCount;
14     return *this;
15 }    

 

定义解引用运算符，直接返回底层指针的引用：

1 T &operator*()
2 {
3     if (_refCount == 0)
4         return (T*)0;
5         
6     return *_ptr;
7 }

 

定义指针运算符->

1 T *operator->()
2 {
3     if(_refCount == 0)
4         return 0;
5         
6     return _ptr;
7 }

 

二、测试

1 int main(int argc, const char * argv[])
2 {
3     SharedPtr<string> pstr(new string("abc"));
4     SharedPtr<string> pstr2(pstr);
5     SharedPtr<string> pstr3(new string("hao"));
6     pstr3 = pstr2;
7     
8     return 0;
9 }

为了让测试结果更明显，我在方法中加入了一些输出，测试结果如下：

 源码链接：https://github.com/guhowo/test/tree/master/cplus/SharedPtr

 

思考

1、本文这种写法不是线程安全的，是吧？

2、boost中的shared_ptr线程安全吗？