指针的艺术——四种智能指针

鳄鱼儿

发布于 2024-11-03 08:08:39

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发布于 2024-11-03 08:08:39

文章被收录于专栏：鳄鱼儿的技术分享

C++中的内存管理一直是开发者面临的一个重要挑战。传统指针需要手动管理内存的分配和释放，这容易导致内存泄漏和悬空指针等问题。

为了解决这些问题，C++ 引入了智能指针，使用智能指针可以自动管理内存的生命周期，简化了内存管理并提高了代码的安全性和可维护性。

什么是智能指针？

智能指针是一个对象，像指针一样工作，但同时负责管理所指向对象的生命周期。智能指针在其自身被销毁时，会自动释放所管理的内存，从而避免内存泄漏。

C++标准库提供了几种常用的智能指针类型：auto_ptr（C 11 中已弃用）、std:: unique_ptr、std::shared_ptr和std:: weak_ptr。

`std::auto_ptr` （C 11 中已弃用）

std::auto_ptr 是C++98标准中引入的一种智能指针，但在C++11中被弃用，并在C++17中被完全移除。

std::auto_ptr 的设计初衷是提供自动内存管理，但由于其所有权语义不够明确，容易导致意外的内存管理问题，因此被 std::unique_ptr 取代。

特点：std::auto_ptr 采用所有权模式。

所有权转移：std::auto_ptr在复制或赋值时会转移所有权，这意味着源指针会变为空。这种行为可能导致意外的内存管理问题。
不安全：由于所有权转移的特性，std::auto_ptr 不适合用于标准容器（如 std::vector），因为容器的复制和赋值操作会导致所有权的不确定性，可能会导致程序内存奔溃。

#include <memory>

void example() {
    std::auto_ptr<int> ptr1(new int(10));
    std::auto_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 所有权转移，ptr1 变为空
    // 现在 ptr2 拥有对象
}

此时不会报错，ptr2 剥夺了 ptr1 的所有权，但是当程序运⾏时访问 ptr1 将会报错。所以 std::auto_ptr 的缺点是：存在不安全风险，内存奔溃。

替代方案是使用 std::unique_ptr ，std::unique_ptr 提供了更明确的所有权语义，并且支持移动语义，避免了 std::auto_ptr 的缺陷。

`std::unique_ptr`

std::unique_ptr 是一个独占所有权的智能指针，确保同一时间只有一个指针可以拥有某个对象。对于避免资源泄露来说是非常好用的。

特点：采⽤所有权模式

保同一时间只有一个指针可以拥有某个对象。
不可复制，但可以移动。适用于需要独占资源的场景。

#include <memory>

void example() {
    std::unique_ptr<int> ptr1(new int(10));
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 转移所有权
    // ptr1 现在为空，ptr2 拥有对象
}

如果 std::unique_ptr<int> ptr2 = ptr1; 则会报错，避免了 ptr1 不再指向有效数据的问题。

`std::shared_ptr`（共享，强引用）

std::shared_ptr 是一个共享所有权的智能指针，允许多个指针指向同一个对象。该对象和其相关资源会在“最后⼀个引⽤被销毁”时候释放。

我们从名字 share 就可以看出资源可以被多个指针共享，std::shared_ptr 使⽤计数机制来表明资源被⼏个指针共享。可以通过成员函数 use_count() 来查看资源的所有者个数。

在构造 std::shared_ptr 时，我们除了可以通过 new 来完成构造，还可以通过传⼊ auto_ptr，unique_ptr，weak_ptr 指针来完成构造。

当我们调⽤ release() 时，当前指针会释放资源所有权，计数减⼀。当计数等于 0 时，资源会被释放。

特点：共享型，强引⽤

使用引用计数来管理对象的生命周期。
当最后一个 std::shared_ptr 被销毁时，所管理的对象才会被释放。

#include <memory>

void example() {
    std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10);
    std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 共享所有权
    // 引用计数增加
}

`std::weak_ptr` （弱引用）

std::weak_ptr 是一个不控制对象生命周期的智能指针，通常与 std::shared_ptr 一起使用，进⾏该对象的内存管理的就是那个强引⽤的 std::shared_ptr。

std::weak_ptr 只提供了对管理对象的⼀个访问⼿段，其设计的⽬的是为配合 std::shared_ptr ⽽引⼊的⼀种智能指针，目的是来协助 std::shared_ptr ⼯作。

std::weak_ptr 只可以从⼀个 std::shared_ptr 或另⼀个 std::weak_ptr 对象构造，其构造和析构不会引起引⽤记数的增加或减少。

std::weak_ptr 是⽤来解决 std::shared_ptr 相互引⽤时产生的死锁问题。

如果说两个 std::shared_ptr 相互引⽤，那么这两个指针的引⽤计数永远不可能下降为 0，也就是资源永远不会释放。

std::weak_ptr 是对一个对象的⼀种弱引⽤，不会增加对象的引⽤计数，和 std::shared_ptr 之间可以相互转化，std::shared_ptr 可以直接赋值给 std::weak_ptr，std::weak_ptr 可以通过调⽤ lock() 函数来获得 std::shared_ptr。

比如：当两个智能指针都是 std::shared_ptr 类型的时候，析构时两个资源引⽤计数会减⼀，但两者引⽤计数还是为 1，导致跳出函数时资源没有被释放（析构函数没有被调⽤）。

解决办法就是把其中⼀个智能指针改为 std::weak_ptr，这样就不会有问题了。

特点：

不增加引用计数，避免循环引用。
需要通过lock()方法转换为std::shared_ptr才能访问对象。

#include <memory>

void example() {
    std::shared_ptr<int> sharedPtr = std::make_shared<int>(10);
    std::weak_ptr<int> weakPtr = sharedPtr; // 不影响引用计数

    if (auto ptr = weakPtr.lock()) { // 检查对象是否仍然存在
        // 使用 ptr
    }
}