掌握C++中智能指针的综合指南：深入现代内存管理

原创

Lion Long

发布于 2024-10-28 22:28:59

1160

发布于 2024-10-28 22:28:59

文章被收录于专栏：后端开发技术

一、智能指针存在的意义

智能指针主要解决以下问题：（1）内存泄漏：内存手动释放，使用智能指针可以自动释放。（2）共享所有权指针的传播和释放，比如多线程使用同一个对象时析构问题。

C++里面有四个智能指针：auto_ptr、share_ptr、unique_ptr、weak_ptr。其中后三个是C++11支持的，并且第一个已经在C++11弃用；所以，重点讲解share_ptr、unique_ptr、weak_ptr。它们的特点：（1）unique_ptr独占对象的所有权，由于没有引用计数，性能较好。（2）share_ptr共享对象的所有权，但性能略差。（3）weak_ptr配合share_ptr，解决循环引用问题。

二、shared_ptr

std::shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。在最后一个shared_ptr析构的时候，内存才会被释放。

sharedd_ptr共享被管理的对象，同一时刻可以有多个shared_ptr拥有对象的所有权，当最后一个shared_ptr对象销毁时，被管理对象自动销毁。

简单的说，shared_ptr实现包含了两个部分：（1）一个指向堆上创建的对象的裸指针 raw_ptr。（2）一个指向内部隐藏的、共享的管理对象 shared_count_object。其中use_count是当前这个堆上对象被多少对象引用了，简单来说就是引用计数。

2.1、shared_ptr内存模型

shared_ptr内部包含两个指针，一个指向对象，一个指向控制块。控制块包含一个引用计数、一个弱计数和其他数据（比如删除器、分配器等）。

其中reference count会累计对象的使用者数量。

std::shared_ptr<int> p1(new int(1));
std::shared_ptr<int> p2=p1;

上例中，p1和p2的内存模型关系就是：

2.2、shared_ptr使用场景

（1）使用智能指针可以自动释放占用的内存。

// Buffer对象分配在堆上，但能自动释放
shared_ptr<Buffer> buf=make_shared<Buffer>("auto free memory");

// Buffer对象分配在堆上，但需要手动delete释放
Buffer *buf2=new Buffer("free memory");

（2）共享所有权指针的传播和释放。

同样的数据，但不同的业务处理不一样。使用shared_ptr智能指针，可以减少内存拷贝，因为有引入计数的存在，当引入计数变为 0 时才真正去释放内存。

2.3、shared_ptr的基本使用和常用函数

（1）s.get()：返回shared_ptr中保存的裸指针。（2）s.reset(…)：重置shared_ptr。

reset()不带参数时，若智能指针s是唯一指向该对象的指针，则释放，并置空。若智能指针s不是唯一指向该对象的指针，则引用计数减一，同时将s置为空。
reset()带参数时，若智能指针s是唯一指向该对象的指针，则释放并指向新的对象。若智能指针s不是唯一指向该对象的指针，则引用计数减一，并指向新的对象。

例如：

auto s=make_shared<int>(100);
s.reset(new int(200));

（3）s.use_count()：返回shared_ptr的强引用计数。（4）s.unique()：若use_count为1返回true，否则返回false。

2.3.1、初始化 make_shared / reset

通过构造函数、std::shared_ptr辅助函数和reset方法来初始化shared_ptr，代码如下：

std::shared_ptr<int> p1(new int(1));
std::shared_ptr<int> p2=p1;
std::shared_ptr<int> p3;
p3.reset(new int(1));

应该优先使用make_shared来构造智能指针，因为它更高效。

auto p1=make_shared<int>(100);

shared_ptr<int> p2=make_shared<int>(100);

// 相当于
shared_ptr<int> p1(new int(100));

不能将原始指针直接赋给一个智能指针。例如，下面这种方法是错误的：

std::shared_ptr<int> p=new int(1);

shared_ptr不能通过“直接将原始这种赋值”来初始化，需要通过构造函数和辅助方法来初始化。

对于一个未初始化的智能指针，可以通过reset方法来初始化；
当智能指针有值的时候调用reset会引起引用计数减1。

另外智能指针可以通过重载的bool类型操作符来判断。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
	std::shared_ptr<int> p1;
	p1.reset(new int(1));
	std::shared_ptr<int> p2 = p1;
	// 引用计数此时应该是2
	cout << "p2.use_count() = " << p2.use_count()<< endl;
	p1.reset();
	cout << "p1.reset()\n";
	// 引用计数此时应该是2
	cout << "p2.use_count()= " << p2.use_count() << endl;
	if(!p1) {
		cout << "p1 is empty\n";
	}
	if(!p2) {
		cout << "p2 is empty\n";
	}
	p2.reset();
	cout << "p2.reset()\n";
	cout << "p2.use_count()= " << p2.use_count() << endl;
	if(!p2) {
		cout << "p2 is empty\n";
	}
	return 0;
}

2.3.2、获取原始指针 get()

当需要获取原始指针时，可以通过get方法来返回原始指针，代码如下所示：

std::shared_ptr<int> ptr(new int(1));
int *p = ptr.get(); 
// 不小心 delete p;

谨慎使用get()的返回值，如果不清楚其危险性则永远不要调用get()函数。 p.get()的返回值就相当于一个裸指针的值，不合适的使用这个值，上述陷阱的所有错误都有可能发生，遵守以下几个约定：

不要保存get()的返回值，无论是保存为裸指针还是shared_ptr都是错误的。
保存为裸指针不知什么时候就会变成空悬指针，保存为shared_ptr则产生了独立指针。
不要delete p.get()的返回值，会导致对一块内存delete两次的错误。

2.3.3、指定删除器

如果用shared_ptr管理非new对象或是没有析构函数的类时，应当为其传递合适的删除器。

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

void DeleteIntPtr(int *p)
{
	cout<< "Call DeleteIntPtr"<<endl;
	delete p;
}

int main(int argc, char **argv)
{
	shared_ptr<int> p(new int(1),DeleteIntPtr);
	return 0;
}

当p的引用计数为0时，自动调用删除器DeleteIntPtr来释放对象的内存。删除器可以是一个lambda表达式，上面的写法可以改为：

shared_ptr<int> p(new int(1),[](int *p){
	cout<< "Call DeleteIntPtr"<<endl;
	delete p;
});

当使用shared_ptr管理动态数组时，需要指定删除器，因为shared_ptr的默认删除器不支持数据对象，代码如下：

std::shared_ptr<int> p3(new int[10],[](int *p){delete [] p;});

2.4、shared_ptr使用要注意的问题

（1）不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr。错误示范如下：

int *ptr=new int;
shared_ptr<int> p1(ptr);
shared_ptr<int> p2(ptr);//逻辑错误

（2）不要在函数实参中创建shared_ptr。错误示范如下：

function(shared_ptr<int>(new int),g());

因为C++的函数参数的计算顺序在不同的编译器不同的约定下可能是不一样的，一般是从右到左，但也可能从左到右；所以，可能的过程是先new int，然后调用g()，如果恰好g()发生异常，而shared_ptr还没有创建，则int内存泄漏；正确的写法应该是先创建智能指针，代码如下：

shared_ptr<int> p1(new int);
function(p1,g());

（3）通过shared_from_this返回this指针。不要将this指针作为shared_ptr返回回来，因为this指针本质上是一个裸指针，因此，可能会导致重复析构，如下例子：

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class MyClass
{
public:
	shared_ptr<MyClass> GetSelf() {
		return shared_ptr<MyClass>(this);//不要这样做
	}
	MyClass() {
		cout << "MyClass()" << endl;
	};
	~MyClass() {
		cout << "~MyClass()" << endl;
	};


};

int main()
{
	shared_ptr<MyClass> sp1(new MyClass);
	shared_ptr<MyClass> sp2 = sp1->GetSelf();
	return 0;
}

运行后调用两次析构：

MyClass()
~MyClass()
~MyClass()
free(): double free detected in tcache 2
已放弃 (核心已转储)

在这个例子中，由于用同一个指针（this)构造了两个智能指针sp1和sp2，而他们之间是没有任何关系的，在离开作用域之后this将会被构造的两个智能指针各自析构，导致重复析构的错误。

正确返回this的shared_ptr的做法是：让目标类继承std::enable_shared_from_this类，然后使用基类的成员函数shared_from_this()返回this的shared_ptr，如下所示：

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class MyClass: public std::enable_shared_from_this<MyClass>
{
public:
	shared_ptr<MyClass> GetSelf() {
		return shared_from_this();//不要这样做
	}
	MyClass() {
		cout << "MyClass()" << endl;
	};
	~MyClass() {
		cout << "~MyClass()" << endl;
	};


};

int main()
{
	shared_ptr<MyClass> sp1(new MyClass);
	shared_ptr<MyClass> sp2 = sp1->GetSelf();
	return 0;
}

执行结果：

MyClass()
~MyClass()

（4）避免循环引用。循环引用会导致内存泄漏。比如：

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class A;
class B;

class B
{
public:
	shared_ptr<A> aptr;
	B();
	~B();

private:

};

B::B()
{
	cout << "B()" << endl;
}

B::~B()
{
	cout << "B is deleted" << endl;
}

class A
{
public:
	shared_ptr<B> bptr;
	A();
	~A();

private:

};

A::A()
{
	cout << "A()" << endl;
}

A::~A()
{
	cout << "A is deleted" << endl;
}


int main()
{
	shared_ptr<A> ap(new A);
	shared_ptr<B> bp(new B);

	ap->bptr = bp;
	bp->aptr = ap;

	cout << "main leave" << endl; // 循环引用导致ap bp退出了作用域都没有析构
	return 0;
}

循环引用导致ap和bp的引用计数为2，在离开作用域之后，ap和bp的引用计数减为1，并不回减为0，导致两个指针都不会被析构，产生内存泄漏。解决的办法是把A和B任何一个成员变量改为weak_ptr。

三、unique_ptr

（1）unique_ptr是一个独占型的智能指针，不能将其复制给另一个unique_ptr。（2）unique_ptr可以指向一个数组。（3）unique_ptr需要确定删除器的类型。

3.1、unique_ptr是一个独占型的智能指针

unique_ptr是一个独占型的智能指针，它不允许其他的智能指针共享其内部的指针，不允许通过赋值将一个unique_ptr赋值给另一个unique_ptr。下面的错误示例。

unique_ptr<T> my_ptr(new T);
unique_ptr<T> my_other_ptr=my_ptr;//报错，不能复制

3.2、std::move(…)转移unique_ptr

unique_ptr不允许复制，但可以通过函数返回给其他的unique_ptr，还可以通过std::move来转移到其他的unique_ptr，这样它本身就不再拥有原来指针的所有权了。例如：

unique_ptr<T> my_ptr(new T);
unique_ptr<T> my_ptr2=std::move(my_ptr);
unique_ptr<T> my_ptr3=my_ptr2;//报错，不能复制

3.3、make_unique初始化

std::make_shared是c++11的一部分，但std::make_unique不是。它是在c++14里加入标准库的。

auto upw1(std::make_unique<T>());// with make func
std::unique_ptr<T> upw2(new T);  // without make func

使用new的版本重复了被创建对象的键入，但是make_unique函数则没有。重复类型违背了软件工程的一个重要原则：应该避免代码重复，代码中的重复会引起编译次数增加，导致目标代码膨胀。

3.4、unique_ptr与shared_ptr的区别

（1）unique_ptr可以指向一个数组。

std::unique_ptr<int []> ptr(new int[10]);
ptr[9]=9;
std::shared_ptr<int []> ptr2(new int[10]);//这是不合法的

（2）unique_ptr指定删除器和shared_ptr有区别。

std::shared_ptr<int> ptr3(new int(1), [](int *p){delete p;}); // 正确 
std::unique_ptr<int> ptr4(new int(1), [](int *p){delete p;}); // 错误

unique_ptr需要确定删除器的类型，所以不能像shared_ptr那样直接指定删除器，可以这样写：

std::unique_ptr<int,void(*)(int *)> ptr(new int(1),[](int *p){delete p;});

3.5、智能指针的选择

关于shared_ptr和unique_ptr的使用场景是要根据实际应用需求来选择。如果希望只有一个智能指针管理资源或者管理数组就用unique_ptr，如果希望多个智能指针管理同一个资源就用shared_ptr。

四、weak_ptr

share_ptr虽然已经很好用了，但是有一点share_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。

weak_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的shared_ptr， weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。

weak_ptr 设计的目的是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作, 它只可以从一个 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。

4.1、weak_ptr的基本用法

（1）通过use_count()方法获取当前观察资源的引用计数。

shared_ptr<int> sp(new int(10));
weak_ptr<int> wp(sp);
// 或者
weak_ptr<int> wp2；
wp2=sp;

cout << wp.use_count() << endl; //结果讲输出1

（2）通过expired()方法判断所观察资源是否已经释放。

shared_ptr<int> sp(new int(10));
weak_ptr<int> wp(sp);

if(wp.expired())
	cout << "weak_ptr无效,资源已释放";
else
	cout << "weak_ptr有效";

（3）通过lock方法获取监视的shared_ptr。在多线程中，要防止一个线程在使用智能指针，而另一个线程删除指针指针问题，可以使用weak_ptr的lock()方法。

std::weak_ptr<int> gw; 
void f() { 
	auto spt = gw.lock(); 
	if(gw.expired()) 
	{ 
		cout << "gw无效,资源已释放"; 
	}
	else 
	{
		cout << "gw有效, *spt = " << *spt << endl; 
	} 
}

int main() 
{ 
	{ 
		auto sp = std::make_shared<int>(42); 
		gw = sp; 
		f(); 
	}
	f(); 
	return 0; 
}

4.2、weak_ptr返回this指针

shared_ptr中提到不能直接将this指针返回shared_ptr，需要通过派生std::enable_shared_from_this类，并通过其方法shared_from_this来返回指针；原因是std::enable_shared_from_this类中有一个weak_ptr，这个weak_ptr用来观察this智能指针，调用shared_from_this()方法是，会调用内部这个weak_ptr的lock()方法，将所观察的shared_ptr返回。再看前面的范例：

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class MyClass: public std::enable_shared_from_this<MyClass>
{
public:
	shared_ptr<MyClass> GetSelf() {
		return shared_from_this();//不要这样做
	}
	MyClass() {
		cout << "MyClass()" << endl;
	};
	~MyClass() {
		cout << "~MyClass()" << endl;
	};


};

int main()
{
	shared_ptr<MyClass> sp1(new MyClass);
	shared_ptr<MyClass> sp2 = sp1->GetSelf();
	return 0;
}

在外面创建MyClass对象的智能指针和通过对象返回this的智能指针都是安全的，因为shared_from_this()是内部的weak_ptr调用lock()方法之后返回的智能指针，在离开作用域之后，sp2的引用计数减为0，A对象会被析构，不会出现A对象被析构两次的问题。

需要注意的是，获取自身智能指针的函数仅在shared_ptr的构造函数被调用之后才能使用，因为enable_shared_from_this内部的weak_ptr只有通过shared_ptr才能构造。

4.3、weak_ptr解决循环引用问题

在shared_ptr提到智能指针循环引用的问题，因为智能指针的循环引用会导致内存泄漏，可以通过weak_ptr解决该问题，只要将A或B的任意一个成员变量改为weak_ptr。

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class A;
class B;

class B
{
public:
	shared_ptr<A> aptr;
	B();
	~B();

private:

};

B::B()
{
	cout << "B()" << endl;
}

B::~B()
{
	cout << "B is deleted" << endl;
}

class A
{
public:
	weak_ptr<B> bptr;// 修改为weak_ptr
	A();
	~A();

private:

};

A::A()
{
	cout << "A()" << endl;
}

A::~A()
{
	cout << "A is deleted" << endl;
}


int main()
{
	shared_ptr<A> ap(new A);
	shared_ptr<B> bp(new B);

	ap->bptr = bp;
	bp->aptr = ap;

	cout << "main leave" << endl; // 循环引用导致ap bp退出了作用域都没有析构
	return 0;
}

这样在对B的成员赋值时，即执行bp->aptr=ap;时，由于aptr是weak_ptr，它并不会增加引用计数，所以ap的引用计数仍然会是1，在离开作用域之后，ap的引用计数为减为0，A指针会被析构，析构后其内部的bptr的引用计数会被减为1，然后在离开作用域后bp引用计数又从1减为0，B对象也被析构，不会发生内存泄漏。

4.4、weak_ptr使用注意事项

weak_ptr在使用前需要检查合法性。

weak_ptr<int> wp;
{
	shared_ptr<int> sp(new int(1));
	wp=sp;
	shared_ptr<int> sp_ok = wp.lock();//wp没有重载->操作符。只能这样取所指向的对象
}

shared_ptr<int> sp_null=wp.lock();

因为上述代码中sp和sp_ok离开了作用域，其容纳的K对象已经被释放了。得到了一个容纳NULL指针的sp_null对象。在使用wp前需要调用wp.expired()函数判断一下。因为wp还仍旧存在，虽然引用计数等于0，仍有某处“全局”性的存储块保存着这个计数信息。直到最后一个weak_ptr对象被析构，这块“堆”存储块才能被回收。否则weak_ptr无法指到自己所容纳的那个指针资源的当前状态。

如果shared_ptr sp_ok和weak_ptr wp属于同一个作用域：

weak_ptr<int> wp;
shared_ptr<int> sp_ok;
{
	shared_ptr<int> sp(new int(1));
	wp = sp;
	sp_ok = wp.lock();//wp没有重载->操作符。只能这样取所指向的对象
}

if (wp.expired())
	cout << "shared_ptr is destroy" << endl;
else
	cout << "shared_ptr not destroy" << endl;

因为sp_ok还没析构，use_count=1。

五、智能指针安全性问题

引用计数本身是安全的，至于智能指针是否安全需要结合实际使用分情况讨论。（1）多线程代码操作的是同一个shared_ptr的对象，此时是不安全的。比如std::thread的回调函数，是一个lambda表达式，其中引用捕获一个shared_ptr：

std::thread td([&sp1](){...});

又或者通过回调函数的参数传入的shared_ptr对象，参数类型引用：

void fun(shared_ptr<A> &sp)
{
// ...
}
// ...

std::thread td(fun,sp1);

这个时候必然不是线程安全的。（2）多线程代码操作的不是同一个shared_ptr的对象这里指的是管理的数据是同一份，而shared_ptr不是同一个对象。比如多线程回调的lambda的是按值捕获的对象。

std::thread([sp1](){...});

另个线程传递的shared_ptr是值传递，而非引用：

void fn(shared_ptr<A>sp) { 
... 
}
..
std::thread td(fn, sp1);

这时候每个线程内看到的sp，他们所管理的是同一份数据，用的是同一个引用计数。但是各自是不同的对象，当发生多线程中修改sp指向的操作的时候，是不会出现非预期的异常行为的。也就是说，如下操作是安全的：

void fun(shared_ptr<A> sp)
{
// ...
	if(...){
		sp=other_sp;
	}
	else {
		sp=other_sp2;
	}
}

需要注意：所管理数据的线程安全性问题。显而易见，所管理的对象必然不是线程安全的，必然 sp1、sp2、sp3智能指针实际都是指向对象A，三个线程同时操作对象A，那对象的数据安全必然是需要对象A自己去保证。

六、总结

智能指针之间不能混用。

weak_ptr要和shared_ptr搭配使用，不能单独使用weak_ptr。 weak_ptr的lock()使用是要先调用lock()再调用expired()。调用lock()之后use_count+1。

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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