C++ 一篇文章让你知道智能指针的魅力
前情提要
我们知道除了静态内存和栈内存外，每个程序还有一个内存池，这部分内存被称为自由空间或者堆。程序用堆来存储动态分配的对象即那些在程序运行时分配的对象，当动态对象不再使用时，我们的代码必须显式的销毁它们。
在C++中，动态内存的管理是用一对运算符完成的：new和delete，ne:在动态内存中为对象分配一块空间并返回一个指向该对象的指针，delete指向一个动态独享的指针，销毁对象，并释放与之关联的内存。
动态内存管理经常会出现两种问题：一种是忘记释放内存，会造成内存泄漏；一种是尚有指针引用内存的情况下就释放了它，就会产生引用非法内存的指针。
为了更加容易（更加安全）的使用动态内存，引入了智能指针的概念。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象
智能指针的原理
RAII：利用对象生命周期来控制程序资源。主要是通过对象的构造函数来获得资源的管理权，然后再通过析构函数来释放所管理的资源。其原理就是把管理一份资源的责任托管给了一个对象
//RAII
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
//构造函数获取资源管理权
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
//通过析构函数释放资源
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
class A
{
private:
int _a = 10;
};
void test()
{
//错误写法
int* ptr = new int[10];
SmartPtr<int> sp(ptr);
//立即初始化--申请资源时就立即绑定资源
SmartPtr<int> sp2(new int);
SmartPtr<A> sp3(new A);
}
这并不是一个智能指针对象，智能指针应该要满足以下条件
- 实现RAII思想
- 使用方式和指针一样，例如需要支持*解引用和->操作
应在类中添加以下操作的重载
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
智能指针和普通的指针的区别之一是智能指针不需要手动释放空间
void test()
{
//智能指针--编译器调用析构自动释放资源--不存在内存泄漏
SmartPtr<A> sp(new A);
(*sp)._a = 10;
sp->_a = 100;
//普通指针--手动释放内存
int* p = new int;
A* pa = new A;
*p = 1;
pa->_a = 10;
//return //提前结束普通指针就会导致内存泄漏
delete p;
delete pa;
}
C++标准库中的智能指针的使用
库中的智能指针分为 auto_ptr、unique_ptr、 share_ptr
他们都需要引入头文件
#include <memory>才能使用
auto_ptr
auto_ptr是一种存在缺陷的智能指针（禁用）
#include <memory>
using namespace std;
void test()
{
auto_ptr<int> ap(new int);
auto_ptr<int> ap2(new int(2));
*ap = 10;
*ap2 = 20;
}
auto_ptr指针进行赋值操作时会将资源进行转移，目的是为了防止多个智能指针指向同一块内存资源。但是这种设计显然不符合我们的需求
我们来简单模拟实现auto_ptr，看他底层是如何进行资源权的转移的
//实现auto_ptr
template<class T>
class Auto_ptr
{
public:
Auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~Auto_ptr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
Auto_ptr(Auto_ptr<T>& ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
//资源管理权转移
ap._ptr = nullptr;
}
Auto_ptr<T>& operator=(Auto_ptr<T>& ap)
{
if (this != &ap)
{
if (_ptr)
delete _ptr;
//资源管理权转移
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
private:
T* _ptr;
};
unique_ptr
unique_ptr智能指针是通过防拷贝来解决资源管理权限转移问题----将unique_ptr赋值运算符函数和拷贝构造函数设置为删除函数
void test()
{
unique_ptr<int> up(new int(10));
unique_ptr<int> up2(up);//error
unique_ptr<int> up3(new int(20));
up = up3; //error
}
报错原因：拷贝构造和赋值重载函数都是已经删除的函数
底层实现：
template<class T>
class Unique_ptr
{
public:
Unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
Unique_ptr(const Unique_ptr<T>& up) = delete;
Unique_ptr<T>& operator=(const Unique_ptr<T>& up) = delete;
~Unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
private:
T* _ptr;
};
shared_ptr
shared_ptr是C++11中新提供的一种智能指针，不仅解决了资源管理权限转移问题，还提供靠谱的拷贝功能
class A
{
public:
int _a = 10;
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
void test()
{
shared_ptr<A> sp(new A);
shared_ptr<A> sp2(new A);
shared_ptr<A> sp3(sp2);//ok
sp3 = sp;//ok
sp->_a = 100;
sp2->_a = 1000;
sp3->_a = 10000;
cout << sp->_a << endl;
cout << sp2->_a << endl;
cout << sp3->_a << endl;
}
运行结果：
我们发现申请多少资源就会释放多少资源，此时的sp和sp3共享一份资源，修改sp3也就相等于修改了sp。所以最终都会打印10000。那共享了一份资源，是如何实现资源只释放一次呢？----引用计数
我们可以通过shared_ptr提供的接口
use_count()来查看，当前有多少个智能指针来管理同一份资源
void test()
{
shared_ptr<A> sp(new A);
cout << sp.use_count() << endl;//1
shared_ptr<A> sp2(sp);
cout << sp.use_count() << endl;//2
cout << sp2.use_count() << endl;//2
shared_ptr<A> sp3(new A);
cout << sp.use_count() << endl;//2
cout << sp2.use_count() << endl;//2
cout << sp3.use_count() << endl;//1
sp3 = sp;
sp3 = sp2;
cout << sp.use_count() << endl;//2
cout << sp2.use_count() << endl;//2
cout << sp3.use_count() << endl;//2
}
运行截图：之所以中间会有调析构函数，是因为当sp3指向sp时，sp3的引用计数为0，则会调用析构函数来释放资源。此时sp创建的资源就有3个指智能指针来管理
图解：
在实现时，我们应该确保一个资源只对应一个计数器，而不是每个智能指针都有各自的计数器。所以我们可以将资源和计数器绑定在一起，此时指向同一份资源的智能指针，访问的也都是同一个计数器
成员变量：成员变量应该有两个变量，分别是资源指针的变量_ptr和计数器变量_countPtr，他们都是一个指针类型的变量
拷贝构造函数：在拷贝构造函数中，应该将当前对象的指针指向要拷贝的对象的资源，而且还要拷贝它的计数器，最后还需要将计数器进行++
赋值运算符重载：我们不能判断两个对象是否相等，而应该为只要两个对象的资源不同，那么才需要进行赋值。在赋值中，先让当前对象的计数器进行–，如果为0则表示当前对象的资源是只被当前对象管理，则需要释放资源。然后再将当前对象指针修改为要拷贝的对象的资源，并且拷贝它的计数器。最后还要对计数器进行++操作
析构函数：判断当前对象的资源的计数器，先进行–操作，在判断计数器是否为0，如果为0才会将资源释放，不为0则什么都不做
template<class T>
class Shared_ptr
{
public:
Shared_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
, _countPtr(new size_t(1))//初始化为1
{}
Shared_ptr(const Shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _countPtr(sp._countPtr)
{
//计数器累加
++(*_countPtr);
}
Shared_ptr<T> operator=(const Shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
//本身计数器自减
//计数器为0，则当前对象需要释放资源
if (--(*_countPtr) == 0)
{
delete _ptr;
delete _countPtr;
}
_ptr = sp._ptr;
_countPtr = sp._countPtr;
++(*_countPtr);
}
return *this;
}
~Shared_ptr()
{
//计数器自减
if (--(*_countPtr) == 0)
{
delete _ptr;
delete _countPtr;
_ptr = nullptr;
_countPtr = nullptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
size_t* _countPtr;//计数器指针
};
我们实现的shared_ptr智能指针在多线程的场景下其实是不存在线程安全问题的----引用计数器指针是一个共享变量，多个线程进行修改时会导致计数器混乱。导致资源提前被释放或者会产生内存泄漏问题
我们来看看一下代码， 如果是安全的，那么最后析构函数应该只被调用一次
void fun(const Shared_ptr<A>& sp, int n)
{
for (int i = 0; i < n; ++i)
Shared_ptr<A> copy(sp);//创建copy智能指针
}
void test()
{
Shared_ptr<A> sp(new A);
int n = 100000;
thread t1(fun, ref(sp), n);
thread t2(fun, ref(sp), n);
t1.join();
t2.join();
}
运行结果1：我们发现并没有调用对象的析构函数，说明此时产生了内存泄漏的问题
运行结果2：调用两次析构函数，也就说明一份资源被释放两次。
我们可以在类中提供获取计数器的值的接口
size_t getCount()
{
return *_countPtr;
}
然后再代码中运行并获取计数器的值，发现计数器的值并没有为0，所以就不会调用调用析构函数
所以我们可以在修改计数器的地方进行加锁保护。而这个锁不能为全局变量的锁，资源之间不能被有影响，否则当一个资源进行加锁修改时，另一个资源会被收到影响，此时会影响代码的执行效率。应当给每一个计数器提供单独的锁
这里++操作和–操作都进行封装
template<class T>
class Shared_ptr
{
public:
Shared_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
, _countPtr(new size_t(1))//初始化为1
, _mtx(new mutex)
{}
Shared_ptr(const Shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _countPtr(sp._countPtr)
,_mtx(sp._mtx)
{
//计数器累加
//++(*_countPtr);
addCount();
}
Shared_ptr<T> operator=(const Shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
//本身计数器自减
//计数器为0，则当前对象需要释放资源
//if (--(*_countPtr) == 0)
if (subCount() == 0)
{
delete _ptr;
delete _countPtr;
delete _mtx;
}
_ptr = sp._ptr;
_countPtr = sp._countPtr;
addCount();
}
return *this;
}
~Shared_ptr()
{
//计数器自减
if (subCount() == 0)
{
delete _ptr;
delete _countPtr;
delete _mtx;
_ptr = nullptr;
_countPtr = nullptr;
_mtx = nullptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
size_t getCount()
{
return *_countPtr;
}
size_t addCount()
{
_mtx->lock();
++(*_countPtr);
_mtx->unlock();
return *_countPtr;
}
size_t subCount()
{
_mtx->lock();
--(*_countPtr);
_mtx->unlock();
return *_countPtr;
}
private:
T* _ptr;
size_t* _countPtr;//计数器指针
mutex* _mtx;
};
运行结果：我们发现多线程场景下，也是都可以正常释放的
循环引用问题
shared_ptr其实也存在一些小问题，也就是循环引用问题
我们先来看看以下代码
struct ListNode
{
shared_ptr<ListNode> _next;
shared_ptr<ListNode> _prev;
int _data;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
void test()
{
shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
}
运行结果：我们发现并没有释放资源，计数器也在自增
图解：
在C++11中，专门为了解决这个问题，又引入了一种新的智能指针waek_ptr，这种指针称为弱指针。在赋值或者拷贝的时候，计数器并不会进行++。析构时也并不会进行真正资源的释放。waek_ptr不能单独使用，其最大的作用就是解决shared_ptr循环引用的问题。
struct ListNode
{
weak_ptr<ListNode> _next;
weak_ptr<ListNode> _prev;
int _data;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
void test()
{
shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
}
运行结果：
在我们自己实现的shared_ptr中，我们在释放资源时都单单以delete来释放，而在我们申请空间方式中并非就只用new来申请空间们也有可能是用malloc来申请，则此时就应该要用free来释放。所以我们还要给智能指针添加一个删除器
void test()
{
Shared_ptr<A> sp(new A[100]);//调用析构会报错
}
删除器主要可以通过仿函数来实现
template<class T>
struct DeleteDel
{
void operator()(T* ptr)
{
delete ptr;
}
};
template<class T>
struct FreeDel
{
void operator()(T* ptr)
{
free(ptr);
}
};
template<class T>
struct DeleteArrDel
{
void operator()(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
};
template<class T, class Del = DeleteDel<T>>
class Shared_ptr
{
public:
Shared_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
, _countPtr(new size_t(1))//初始化为1
, _mtx(new mutex)
{}
Shared_ptr(const Shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _countPtr(sp._countPtr)
,_mtx(sp._mtx)
{
//计数器累加
//++(*_countPtr);
addCount();
}
Shared_ptr<T> operator=(const Shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
//本身计数器自减
//计数器为0，则当前对象需要释放资源
//if (--(*_countPtr) == 0)
if (subCount() == 0)
{
//delete _ptr;
//通过删除器来释放空间
_del(_ptr);
delete _countPtr;
delete _mtx;
}
_ptr = sp._ptr;
_countPtr = sp._countPtr;
addCount();
}
return *this;
}
~Shared_ptr()
{
//计数器自减
if (subCount() == 0)
{
//delete _ptr;
//通过删除器来释放空间
_del(_ptr);
delete _countPtr;
delete _mtx;
_ptr = nullptr;
_countPtr = nullptr;
_mtx = nullptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
size_t getCount()
{
return *_countPtr;
}
size_t addCount()
{
_mtx->lock();
++(*_countPtr);
_mtx->unlock();
return *_countPtr;
}
size_t subCount()
{
_mtx->lock();
--(*_countPtr);
_mtx->unlock();
return *_countPtr;
}
private:
T* _ptr;
size_t* _countPtr;//计数器指针
mutex* _mtx;
Del _del;
};
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