C++的智能指针你真的了解吗

2024-04-02 19:04:59 557人浏览八月长安

摘要

目录什么是RaiIRAII的原理裸指针存在的问题auto_ptrunique_ptr总结什么是RAII RAII（Resource Acquisition Is Initializa

什么是RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是由c++之父提出的，中文翻译为资源获取即初始化，使用局部对象来管理资源的技术称为资源获取即初始化；这里的资源主要是指操作系统中有限的东西如内存（heap）、网络套接字、互斥量、文件句柄等等，局部对象是指存储在栈的对象，它的生命周期是由操作系统来管理的，无需人工介入

RAII的原理

资源的使用一般经历三个步骤：

获取资源（创建对象）
使用资源
销毁资源（析构对象）

但是资源的销毁往往是程序员经常忘记的一个环节，所以程序界就想如何在程序中让资源自动销毁呢？解决问题的方案就是：RAII，它充分的利用了C++语言局部对象自动销毁的特性来控制资源的生命周期

裸指针存在的问题

1.难以区分指向的是单个对象还是一个数组

2.使用完指针之后无法判断是否应该销毁指针，因为无法判断指针是否”拥有“指向的对象

3.在已经确定需要销毁指针的情况下，也无法确定是用delete关键字删除，还是有其他特殊的销毁机制，例如通过将指针传入某个特定的销毁函数来摧毁指针

4.即使已经确定了销毁指针的方法，由于1的原因，仍然无法确定到底是i用delete（销毁单个对象）还是delete[]（销毁一个数组）

5.假设上述的问题都解决了，也很难保证在代码的所有路径中（分支结构，异常导致的挑战），有且仅有一次销毁指针的操作；任何一条路径遗漏都可能导致内存的泄露，而销毁多次则会导致未定义行为

6.理论上没有方法来分辨一个指针是否处于悬挂状态

auto_ptr

class Object
{
	int value;
public:
	Object(int x = 0) :value(x)
	{
		cout << "Create Object:" << this << endl;
	}
	~Object()
	{
		cout << "Destory Object:" << this << endl;
	}
	int& Value()
	{
		return value;
	}
};

template<class _Ty>
class my_auto_ptr
{
private:
	bool _Owns;
	_Ty* _Ptr;
public:
	my_auto_ptr(_Ty* p = NULL) :_Owns(p != NULL), _Ptr(p)
	{}
	~my_auto_ptr()
	{
		if (_Owns)
		{
			delete _Ptr;
		}
		_Owns = false;
		_Ptr = NULL;
	}
};

void fun()
{
	my_auto_ptr<Object> obj(new Object(10));
}

int main()
{
	fun();
}

在这里插入图片描述

在这里将Object构建完成后，将其指针给到p，当函数结束去调动智能指针的析构函数去释放空间

若我们需要在fun()函数中，去调用Object类的方法obj->Value();

class Object
{
	int value;
public:
	Object(int x = 0) :value(x)
	{
		cout << "Create Object:" << this << endl;
	}
	~Object()
	{
		cout << "Destory Object:" << this << endl;
	}
	int& Value()
	{
		return value;
	}
};

template<class _Ty>
class my_auto_ptr
{
private:
	bool _Owns;
	_Ty* _Ptr;
public:
	my_auto_ptr(_Ty* p = NULL) :_Owns(p != NULL), _Ptr(p)
	{}
	~my_auto_ptr()
	{
		if (_Owns)
		{
			delete _Ptr;
		}
		_Owns = false;
		_Ptr = NULL;
	}
	_Ty* get()const
	{
		return _Ptr;
	}
	_Ty& operator*()const
	{
		return *(get());
	}
	_Ty* operator ->()const
	{
		return get();
	}
};

void fun()
{
	my_auto_ptr<Object> obj(new Object(10));
	cout << obj->Value() << endl;
	cout << (*obj).Value() << endl;
}

int main()
{
	fun();
}

在这里插入图片描述

通过运算符重载，(*obj) 后将直接指向堆区(heap)的对象实体

若我们通过一个my_auto_ptr去创建另一个my_auto_ptr

class Object
{
	int value;
public:
	Object(int x = 0) :value(x)
	{
		cout << "Create Object:" << this << endl;
	}
	~Object()
	{
		cout << "Destory Object:" << this << endl;
	}
	int& Value()
	{
		return value;
	}
};

template<class _Ty>
class my_auto_ptr
{
private:
	bool _Owns;
	_Ty* _Ptr;
public:
	my_auto_ptr(_Ty* p = NULL) :_Owns(p != NULL), _Ptr(p)
	{}
	~my_auto_ptr()
	{
		if (_Owns)
		{
			delete _Ptr;
		}
		_Owns = false;
		_Ptr = NULL;
	}
	my_auto_ptr(const my_auto_ptr& obj):_Owns(obj._Owns),_Ptr(obj._ptr)
	{	
	}
	my_auto_ptr& operator=(const my_auto_ptr& _Y)
	{
		if(this == &_Y) return *this;
		if(_Owns)
		{
			delete _Ptr;
		}
		_Owns = _Y._Owns;
		_Ptr = _Y._Ptr;
		return 0;
	}

	_Ty* get()const
	{
		return _Ptr;
	}
	_Ty& operator*()const
	{
		return *(get());
	}
	_Ty* operator ->()const
	{
		return get();
	}
	void reset(_Ty* p = NULL)
	{
		if (_Owns)
		{
			delete _Ptr;
		}
		_Ptr = p;
	}
	_Ty* release()const
	{
		_Ty* tmp = NULL;
		if (_Owns)
		{
			((my_auto_ptr*)this)->_Owns = false; //常性进行修改
			tmp = _Ptr;
			((my_auto_ptr*)this)->_Ptr = NULL;
		}
		return tmp;
	}
};

void fun()
{
	my_auto_ptr<Object> pobja(new Object(10));
	my_auto_ptr<Object> pobjb(pobja);
}

int main()
{
	fun();
}

如果通过浅拷贝，则两个指针拥有同一个资源，在析构的过程会造成资源的重复释放导致崩溃

若设置为将其资源进行转移

my_auto_ptr(const my_auto_ptr& obj):_Owns(obj._Owns),_Ptr(release())
{
}
my_auto_ptr& operator=(const my_auto_ptr& _Y)
{
	if(this == &_Y) return *this;
	if(_Owns)
	{
		delete _Ptr;
	}
	_Owns = _Y._Owns;
	_Ptr = _Y.release();
	return 0;
}

void fun(my_auto_ptr<Object> apx)
{
	int x = apx->Value();
	cout<<x<<endl;
}
int main()
{
	my_auto_ptr<Object> pobja(new Object(10));
	fun(pobja);
	int a = pobja->Value();
	cout<<a<<endl;
}

那么上面的过程中，资源会进行转移pobja将不再拥有资源，导致pobja失去资源进而程序崩溃

这也就是auto_ptr的局限性，也导致该智能指针的几乎没有使用

unique_ptr

该智能指针属于唯一性智能指针，将拷贝构造删除，也就不能将其新建另一个对象，同时也不能作为参数传入

class Object
{
	int value;
public:
	Object(int x = 0) :value(x)
	{
		cout << "Create Object:" << this << endl;
	}
	~Object()
	{
		cout << "Destory Object:" << this << endl;
	}
	int& Value()
	{
		return value;
	}
};

int main()
{
	std::unique_ptr<Object> pobja(new Object(10));
	//std::unique_ptr<Object> pobjb(pobja); error
	//不允许
	std::unique_ptr<Object> pobjb(std::move(pobja));
}

通过移动赋值是可以的，通过明确的概念，对其资源进行转移

同时unique_ptr可以区分其所指向的是一个单独空间，或者是连续的空间

struct delete_ar_object
{
	void operator()(Object* op)
	{
		if(op == NULL) return;
		delete[] op;
	}
}
int main()
{
	std::unique_ptr<Object> pobja(new Object(10));
	std::unique_ptr<Object,delete_ar_object> pobjb(new Object[10]);
}

在这里如果是连续空间，会调用删除连续空间的删除器;单独空间则使用默认删除器

unique_ptr在编写的时候，有多个模板类，分别对应单个对象的方案和一组对象的方案

并且可以通过智能指针指向fopen打开的文件对象，而文件对象是同fclose去进行关闭的

struct delete_file
{
	void operator()(FILE *fp)
	{
		if(fp == NULL) return;
		fclose(fp);
	}
}
std::unique_ptr<FILE,delete_file> pfile(fopen("zyq.txt","w"));

这里只需要将默认的删除器，更改为对文件对象的删除器