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一篇文章带你了解C++智能指针详解

2024-04-02 19:04:59 648人浏览八月长安

摘要

目录为什么要有智能指针？智能指针的使用及原理RALLshared_ptr的使用注意事项创建多个 shared_ptr 不能拥有同一个对象shared_ptr 的销毁shared_pt

为什么要有智能指针？

因为普通的指针存在以下几个问题：

资源泄露
野指针
- 未初始化
- 多个指针指向同一块内存，某个指针将内存释放，别的指针不知道
异常安全问题
如果在 malloc和free 或者 new和delete 之间如果存在抛异常，那么也会导致内存泄漏。

资源泄漏示例代码：


int main(){
	int *p = new int;
	*p = 1;
	p = new int; // 未释放之前申请的资源，导致内存泄漏 
	delete p;
	
	return 0;
}

野指针示例代码：


int main(){
	int *p1 = new int;
	int *p2 = p1;
	delete p1; 
	*p2 = 1; // 申请的内存已经被释放掉了，  
	
	return 0;
}


int main(){
	int *p;
	*p = 1; // 程序直接报错， 使用了未初始化的变量
	return 0;
}

解决方法：智能指针

智能指针的使用及原理

具有RALL 特性
重载了 operator* 和 operator ->,使其具有了指针一样的行为

RALL

RALL（Resource AcquIstion Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存，文件句柄，网络连接，互斥量等）的简单技术。

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。相当于利用对象管理了一份资源。这样的优势在于

1.不需要显式的释放资源（对象析构时，自动释放资源）

2.采用这种方式，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。

智能指针就是一个实例出来的对象

c++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。但是 auto_ptr存在当对象拷贝或者赋值之后，前面的对象就悬空了。

C++11 提供更靠谱的并且支持拷贝的 shared_ptr

shared_ptr :

通过引用计数的方式实现多个shared_ptr 对象之间共享资源。
shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了

unique_ptr ：

确保一个对象同一时刻只能被一个智能指针引用，可以转移所有权（可以从一个智能指针转移到另一个智能指针）

auto_ptr ：

C++11 已弃用，与unique_ptr 类似

使用时，需包含头文件


 #include <memory>

shared_ptr的使用注意事项

创建


1. 
shared_ptr<int> ptr{new int(3)};
2.
shared_ptr<int> ptr;
ptr.reset(new int(3));
3.
shared_ptr<int> ptr = make_shared<int>(3);

shared_ptr 支持使用比较运算符，使用时，会调用共享指针内部封装的原始指针的比较运算符。

支持

==、!=、<、<=、>、>=

使用比较运算符的前提必须是同类型

示例：


shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(1);
shared_ptr<int> p2 = make_shared<int>(2);
shared_ptr<int> p3;
shared_ptr<double> p4 = make_shared<double>(1);

bool b1 = p1 < p2; 		// true
bool b2 = p1 > p3;		// true， 非NULL 指针与 NULL 指针相比 ，都是大于
bool b3 = p3 == p3;		// true
bool b4 = p4 < p2		// 编译失败，类型不一致

shared_ptr 可以使用强制类型转换，但是不能使用普通的强制类型转换符

1.shared_ptr 强制类型转换符允许将其中包含的指针强制转换为其它类型

2.不能使用普通的强制类型转换运算符，否则会导致未定义行为

3.shared_ptr 的强制类型转换运算符包括
static_pointer_cast
dynamic_pointer_cast
const_pointer_cast

示例：


shared_ptr<void> p(new int);	// 内部保留 void* 指针
static_pointer_cast<int*>(p);	// 正确的 强制类型转换方式
shared_ptr<int> p1(static_cast<int*>(p.get()));	// 错误的强制类型转换方式，未定义错误

多个 shared_ptr 不能拥有同一个对象

利用代码理解

示例：


class Mytest{
public:
	Mytest(const string& str)
	:_str(str){}
	~Mytest(){
		std::cout << _str << "destory" << std::endl;
	}
private:
	string _str;
};

int main(){
	Mytest* p = new Mytest("shared_test");
	shared_ptr<Mytest> p1(p); 	// 该对象可以正常析构
	shared_ptr<Mytest> p2(p); // 对象销毁时，错误，读取位置 0xDDDDDDDD 时发生访问冲突。
	return 0;
}

上述代码，共享指针 p1 对象在程序结束时，调用析构，释放了p 所指向的空间，当 p2 进行析构的时候，又释放p所指向的空间，但是由于已经释放过了，重复释放已经释放过的内存，导致段错误。

可以使用 shared_from_this 避免这种问题

改进代码：


class Mytest:public enable_shared_from_this<Mytest> {
public:
    Mytest(const string& str)
        :_str(str) {}
    ~Mytest() {
        std::cout << _str << "destory" << std::endl;
    }
    shared_ptr<Mytest> GetSharedptr() {
        return shared_from_this();
    }
private:
    string _str;
};
int main() {
    Mytest* p = new Mytest("shared_test");
    shared_ptr<Mytest> p1(p);
    shared_ptr<Mytest> p2 = p->GetSharedptr(); // 正确做法
    
    return 0;
}

shared_ptr 的销毁

shared_ptr 在初始化的时候，可以定义删除器，删除器可以定义为普通函数、匿名函数、函数指针等符合要求的可调用对象

示例代码：


void delFun(string* p) {
    std::cout << "Fun delete " << *p << endl;
    delete p;
}
int main() {

    std::cout << "begin" << std::endl;
    shared_ptr<string> p1;
    {
        shared_ptr<string> p2(new string("p1"), [](string* p) {
            std::cout << "Lamda delete " << *p << std::endl;
            delete p;
        });
        p1 = p2;
        shared_ptr<string> p3(new string("p3"), delFun);
    }
    std::cout << "end" << std::endl;
    return 0;
}

执行结果：

begin
Fun delete p3
end
Lamda deletep1

分析结果：

首先，p3在{ }作用域内，生命周期最先结束，调用delFun作为删除器

其次，p2 也在{ } 作用域内，生命周期也结束了，但是因为 p1 和 p2 指向了同一个对象，所以p2 销毁只是将其对象引用计数 -1。

最后，程序运行结束，p1销毁，其对象引用计数-1 变为0，调用删除器，销毁对象。


shared_ptr<char> p(new char[10]); // 编译能够通过，但是会造成资源泄漏
// 正确做法
shared_ptr<char> p(new char[10], [](char* p){
	delete p[];
	});
// 正确做法
shared_ptr<char> p(new char[10], default_delete<char[]>());

可以为数组创建一个shared_ptr ，但是这样会造成资源泄露。因为 shared_ptr 提供默认的删除调用的是 delete，而不是 delete[]
可以使用自定义删除器，删除器中使用 delete[]
可以使用 default_delete 作为删除器，因为它使用 delete[]

shared_ptr 存在的问题：

1.循环引用
不同对象相互引用，形成环路

2.想要共享但是不想拥有对象

shared_ptr 的线程安全问题

1. shared_ptr 对象中引用计数是多个shared_ptr对象共享的，两个线程中shared_ptr的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2 这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。

2.shared_ptr 管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。


// 1.因为线程安全问题是偶现性问题，main函数的n改大一些概率就变大了，就
容易出现了。
void SharePtrFunc(shared_ptr<Date>& sp, size_t n)
{
	cout << sp.Get() << endl;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		// 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。
		shared_ptr<Date> copy(sp);
		// 这里智能指针访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n次，但是最终看到的结果，并一定是加了2n
		copy->_year++;
		copy->_month++;
		copy->_day++;
	}
}
int main()
{
	shared_ptr<Date> p(new Date);
	cout << p.Get() << endl;
	const size_t n = 100;
	thread t1(SharePtrFunc, p, n);
	thread t2(SharePtrFunc, p, n);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << p->_year << endl;
	cout << p->_month << endl;
	cout << p->_day << endl;
	return 0;
}

shared_ptr 的循环引用


struct Listnode
{
int _data;
shared_ptr<ListNode> _prev;
shared_ptr<ListNode> _next;
~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}

循环引用代码分析：

node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，不需要手动delete。

node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。

node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。

也就是说_next析构了，node2就释放了。

也就是说_prev析构了，node1就释放了。

但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。

在这里插入图片描述

解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了

原理：

node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加

node1和node2的引用计数。


struct ListNode
{
	int _data;
	weak_ptr<ListNode> _prev;
	weak_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	return 0;
}

unique_ptr

同一个对象，只能有唯一的一个 unique_ptr 指向它
继承了自动指针 auto_ptr，
有助于避免发生异常时导致的资源泄漏

unique_ptr的使用

unique_ptr 定义了*、-> 运算符，没有定义 ++ 之类的指针算法

unique_ptr 不允许使用赋值语法进行初始化，必须使用普通指针直接初始化

unique_ptr 可以为空

unique_ptr 不能使用普通的复制语义赋值，可以使用 C++11 的 move() 函数

unique_ptr 获得新对象时，会销毁之前的对象

unique_ptr 防止拷贝的原理：


// C++98防拷贝的方式：只声明不实现+声明成私有
UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
// C++11防拷贝的方式：delete
UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;