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c++11新特性-智能指针

1. 智能指针的概念及原理


1.1 什么是智能指针

智能指针RAII(Resource Acquisition Is Initialization),是一种利用对象的生命周期来管理资源的技术。如果我们采用传统的new/delete来申请和释放资源,如果忘记调用delete,或者在调用delete之前程序抛出异常,都会导致内存泄漏问题,如代码1.1,Func函数中的new p2和Div都可能抛异常,导致后面的delete没有执行从而引发内存泄漏,采用智能指针对资源进行管理,能够杜绝这类问题。

代码1.1:因异常引发的内存泄漏

int Div(int a, int b)
{
	if (b == 0) {
        throw "除0错误";
    } else {
        return a / b;
    }
}
 
void Func()
{
	int* p1 = new int[5];
	int* p2 = new int[5];
 
	// 这里Div函数会抛异常,main函数会捕获异常,delete[]没有执行,引发内存泄漏
	int ret = Div(5, 0);
 
	delete[] p1;
	delete[] p2;
}
 
int main()
{
	try {
		Func();
	} catch (std::exception& e) {
		std::cout << e.what() << std::endl;
	} catch (...) {
		std::cout << "未知错误" << std::endl;
	}
 
	return 0;
}

智能指针是一个类,在对象构造时调用构造函数获取资源,在对象生命周期内,保证资源不被释放,在对象生命周期结束时,编译器自动调用析构函数来释放资源。这就相当于,将管理资源的责任移交给了对象,这样即使程序抛出异常也不存在内存泄漏,因为捕获异常往往跳出函数体,执行流会离开对象的作用域,对象生命周期结束,编译器自动调用析构函数释放了资源。

采用智能指针管理资源,有如下优点:
1> 将资源管理的责任转移给智能指针对象,不用显示地释放资源,杜绝了异常安全问题。
2> 保证对象管理的资源在其生命周期内有效。
代码1.2定义了一种简易的智能指针SmartPtr,在其析构函数中会对资源进行释放。因为申请的资源可能是通过new T、new T[n]、malloc(…)这几种方法的任意之一来申请的,每种方式申请的资源需要不同的关键字/函数来释放资源,否则程序可能会崩溃。

因此,需要一个模板参数Del,这个模板参数用于接收仿函数,以匹配不同的资源释放方式。我们默认采用delete的方式释放资源,C++标准库中提供的智能指针,如果不显示给定仿函数来定义释放资源的方式,也是默认delete释放资源。

代码1.2:智能指针的简易实现 – SmartPtr

template<class T>
struct Delete
{
	void operator()(T* ptr) { delete ptr;}
};
 
template<class T>
struct DeleteArray
{
	void operator()(T* ptr) { delete[] ptr; }
};
 
template<class T>
struct Free
{
	void operator()(T* ptr) { free(ptr); }
};
 
template<class T, class Del = Delete<T>>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)  //构造函数
		: _ptr(ptr)
	{ }
 
	~SmartPtr()
	{
		Del del;
		del(_ptr);
	}
 
private:
	T* _ptr;  //管理的资源
};
1.2 智能指针的原理

智能指针,顾名思义,不能仅仅是用于资源管理,还应当具有指针的一般功能。因此,需要重载operator*、operator->函数(见代码1.3),用于访问指针指向的资源。注意:C++标准库中的智能指针均不重载operator[]函数。

智能指针原理总结:

RAII,管理资源,对象创建时申请资源,对象生命周期结束时释放资源。
具有像指针一样的行为:operator*、operator->。
代码1.3:SmartPrt

template<class T, class Del = Delete<T>>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)  //构造函数
		: _ptr(ptr)
	{ }
 
	~SmartPtr()
	{
		Del del;
		del(_ptr);
	}
 
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
 
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
 
private:
	T* _ptr;  //管理的资源
};

2. 智能指针的拷贝问题


我们要求智能指针具有一般的指针行为,因此,我们也就需要智能指针支持拷贝。但是,智能指针中的成员涉及到执行动态申请资源的指针,按照一般要求,应当进行深拷贝。

但是如果我们进行深拷贝,就会让两个智能指针指向不同的空间,但是我们所希望的是两个指针共同管理一块资源,因此我们就是要浅拷贝(值拷贝)。

但是值拷贝会存在对同一块空间多次释放的问题,对此,C++标准库中的智能指针auto_ptr和shared_ptr分别采用了管理权转移和引用计数的方法来解决问题,但一般会通过引用计数解决多次释放的问题(见第3、4章)。

智能指针拷贝问题总结:

即使涉及到动态申请内存,智能指针的拷贝也不应为深拷贝,应当是浅拷贝。
采用管理权转移(auto_ptr)或引用计数(shared_ptr)来解决同一块空间多次释放的问题。
一般都使用引用计数来解决多次释放问题,auto_ptr大部分情况下不使用。
智能指针的拷贝构造原理如图所示:
在这里插入图片描述

3. auto_ptr


3.1 auto_ptr的拷贝构造和赋值问题

auto_ptr采用管理权转移的方法进行赋值和拷贝构造,假设原先有一个auto_ptr对象p1,要通过p1构造p2,当拷贝构造完成后,用于拷贝构造传参的对象p1中管理资源的指针会被更改为nullptr,赋值也一样,假设p2=p1,p1中资源的管理权会转移给p2,p2原本的资源会被释放。

采用管理权转移的方法进行智能指针拷贝是一种极不负责任的行为,auto_ptr已经被很多公司明令禁止使用,一般项目中也极少使用auto_ptr。
auto_ptr的拷贝构造如图所示:
在这里插入图片描述
auto_ptr的复制如图所示:
在这里插入图片描述

3.2 auto_ptr的模拟实现

这里最需要注意的问题是实现operator=函数时的自赋值检验,因为p2=p1要涉及到资源释放,如果p1和p2指向同一块资源,p2的资源被先行释放,那么p2=p1后,p2依旧指向原来的空间,但这块空间的使用权利已经换给了操作系统。

template<class T>
class auto_ptr
{
public:
    //构造函数
    auto_ptr(T* ptr = nullptr)
        : _ptr(ptr)
    { }

    //拷贝构造函数
    auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
        : _ptr(ap._ptr)
    {
        ap._ptr = nullptr;   //管理权转移
    }

    //赋值函数
    auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
    {
        if (_ptr != ap._ptr)  //自赋值检验
        {
            delete _ptr;
            _ptr = ap._ptr;
            ap._ptr = nullptr;
        }

        return *this;
    }

    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }

    //析构函数
    ~auto_ptr()
    {
        delete _ptr;
    }

private:
    T* _ptr;
};

4. unique_ptr


unique直接将拷贝构造和赋值禁止,也就不存在浅拷贝的多次释放同一块空间的问题。

template<class T>
class unique_ptr
{
public:
    //构造函数
    unique_ptr(T* ptr = nullptr)
        : _ptr(ptr)
    { }

    //使用delete关键字强行禁止拷贝构造函数和赋值函数的生成
    unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
    unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;

    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }

    //析构函数
    ~unique_ptr()
    {
        delete _ptr;
    }

private:
    T* _ptr;
};

5. shared_ptr


shared是C++11标准库中新纳入的智能指针,它通过引用计数的方法,较好的解决了拷贝和赋值的问题,是实际项目中最常用的智能指针。

5.1 shared_ptr的常用接口

在这里插入图片描述

5.2 shared_ptr的拷贝构造和赋值问题

shared内部有一个成员变量long int* _pcount,它指向一块存储引用计数的空间,当进行拷贝构造时,引用计数+1,即:++(_pcount)。
进行赋值操作(sp2 = sp1)时,首先应当检查自赋值,如果是自赋值直接返回
this即可。如果不是自赋值,那么首先将sp2的引用计数-1,如果sp2的引用计数-1后变为了0,那么就释放sp2的资源,然后赋予sp2管理sp1管理的资源的权限,sp2和sp1共用一个引用计数,引用计数+1。
调用析构函数时,先让引用计数-1,如果此时引用计数变为0,就释放资源。
shared_ptr拷贝构造如图所示:
在这里插入图片描述
shared_prt赋值如图所示:
在这里插入图片描述

5.3 shared_ptr的模拟实现
template<class T, class Del = Delete<T>>
class shared_ptr
{
public:
    //构造函数
    shared_ptr(T* ptr = nullptr)
        : _ptr(ptr)
        , _pcount(new long int(1))
    { }

    //拷贝构造函数
    shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)
        : _ptr(sp._ptr)
        , _pcount(sp._pcount)
    {
        ++(*_pcount);  //引用计数+1
    }

    //赋值函数
    shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
    {
        if (_ptr == sp._ptr)  //自赋值检查
        {
            return *this;
        }

        //this的引用计数-1,并判断是否需要释放资源
        if (--(*_pcount) == 0)
        {
            Del del;
            del(_ptr);
            delete _pcount;
        }

        _ptr = sp._ptr;
        _pcount = sp._pcount;
        ++(*_pcount);

        return *this;
    }

    //指针获取函数
    T* get()
    {
        return _ptr;
    }

    //引用计数获取函数
    long int use_count()
    {
        return *_pcount;
    }

    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }

    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }

    bool unique()
    {
        return *_pcount == 1;
    }

    //析构函数
    ~shared_ptr()
    {
        if (--(*_pcount) == 0)
        {
            Del del;
            del(_ptr);
            delete _pcount;
        }
    }

private:
    T* _ptr;   //指向动态申请空间的指针
    long int* _pcount;   //引用计数
};
5.4 shared_ptr的循环引用问题

在绝大部分情况下,shared_ptr能够解决智能指针赋值造成的多次析构问题,也不会引发内存泄漏。但是,代码4.1展现了一种特殊情况,定义一个Node节点,其中包含两个shared_ptr成员_prev和_next。在主函数中实例化出两个shared_ptr对象n1和n2,n1的_next指向n2,n2的_prev指向n1,n1和n2相互指向对方,这样就属于循环引用,会造成n1和n2的资源释放失败,引发内存泄漏问题。

代码4.1:循环引用

struct Node
{
	int _val;
	std::shared_ptr<Node> _prev;
	std::shared_ptr<Node> _next;
 
	~Node()
	{
		std::cout << "~Node()" << std::endl;
	}
};
 
int main()
{
	std::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> n2(new Node);
 
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
 
	return 0;
}

在代码4.1中,循环引用的成因如下:

构造对象n1和n2,引用计数为1,然后n1->_next = n2、n2->_prev = n1后,引用计数变为2。
先后由n2和n1调用析构函数,引用计数变为1。
此时,n1和n2的资源还都没有释放,n1的_next依旧指向n2,n2的_prev依旧指向n1。
n1释放,就需要n2的_prev成员释放,n1释放,就需要n1的_next成员释放。但是,只有对象本身析构,它的成员才会析构,因此n1和n2彼此制约对方的析构,最终n1和n2的资源都无法释放,造成了内存泄漏。
在这里插入图片描述
为了避免循环引用,可以把Node节点中的_next和_prev成员变量的类型改为weak_ptr,weak_ptr是C++标准库中的比较特殊的一个“智能指针”,允许使用shared_ptr对象来构造weak_ptr对象,但是,weak_ptr不增加引用计数,不参与资源的申请和释放,从严格意义上讲,weak_ptr不算是智能指针。

代码4.2:使用weak_ptr避免引用计数

struct Node
{
	int _val;
	std::weak_ptr<Node> _prev;
	std::weak_ptr<Node> _next;
 
	~Node()
	{
		std::cout << "~Node()" << std::endl;
	}
};
 
int main()
{
	std::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> n2(new Node);
 
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
 
	return 0;
}

6. weak_ptr


weak_ptr不参与资源的管理和释放,可以使用shared_ptr对象来构造weak_ptr对象,但是不能直接使用指针来构造weak_ptr对象,在weak_ptr中,也没有operator*函数和operator->成员函数,不具有一般指针的行为,因此,weak_ptr严格意义上并不是智能指针,weak_ptr的出现,就是为了解决shared_ptr的循环引用问题。

weak_ptr在进行拷贝构造和赋值时,不增加引用计数,由于weak_ptr不参与资源管理,也不需要显示定义析构函数来释放资源。

template<class T>
class weak_ptr
{
public:
	//默认构造函数
	weak_ptr()
		: _ptr(nullptr)
	{ }
 
	//拷贝构造函数
	weak_ptr(weak_ptr<T>& wp)
		: _ptr(wp._ptr)
	{ }
 
	//采用shared_ptr构造
	weak_ptr(shared_ptr<T>& sp)
		: _ptr(sp.get())
	{ }
 
	//赋值函数
	weak_ptr<T>& operator=(weak_ptr<T>& wp)
	{
		_ptr = wp._ptr;
	}
 
	//通过shared_ptr对象赋值
	weak_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
	{
		_ptr = sp.get();
	}
 
private:
	T* _ptr;
};

7. 总结


1> 智能指针是用来对资源进行管理的类,在对象创建时动态申请内存资源,在对象生命周期结束时由编译器自动调用析构函数完成资源的释放,智能指针除了用来管理资源外,还应当具有指针的一般行为(operator函数和operator->函数)。
2> 使用智能指针,相当于把资源管理的责任转交给智能指针对象。这样能够有效避免因为忘记delete或者程序抛出异常而引起的内存泄漏。
3> 智能指针应支持浅拷贝,但是浅拷贝存在同一块空间被多次释放的问题,为此,C++标准库中的三种智能指针auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr分别采用了不同的方法来解决这一问题。
auto_ptr支持拷贝的方式是进行管理权转移,这是一种不负责任的处理方式,auto_ptr因此被许多公司禁止使用。
4> unique_ptr直接强行禁止拷贝构造和赋值。
5> shared_ptr通过引用计数的方式来进行浅拷贝,当引用计数为0时析构函数才释放资源,这样既支持了浅拷贝,也保证一块空间仅被析构一次。但是shared_ptr存在循环引用这一隐患,会造成内存泄漏。
6> 使用weak_ptr可以避免shared_ptr的循环引用问题,weak_ptr可以通shared_ptr对象来构造而不增加引用计数,weak_ptr不参与资源的管理,不支持operator
和operator->。

悦读

道可道,非常道;名可名,非常名。 无名,天地之始,有名,万物之母。 故常无欲,以观其妙,常有欲,以观其徼。 此两者,同出而异名,同谓之玄,玄之又玄,众妙之门。

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