C++智能指针

用户11317877

发布于 2024-11-15 08:53:11

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前言

1. 为什么需要智能指针?

如果是下面这段程序, 会不会有什么问题?

int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
	// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
	// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
	// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int;
	cout << div() << endl;
	delete p1;
	delete p2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

如果new p1时抛异常, 则new会发生失败, 此时不会发生内存泄漏
如果new p2时抛异常, 则new p2会发生失败, 但是p1已经开辟成功, 但是抛异常之后就不会执行下面的delete p1了, 这会导致p1无法释放
如果div这里抛异常, 则p1 , p2都无法释放

异常虽然给了我们方便, 但是同时也会给我们带来问题, 为了解决上述问题, 就有了智能指针的概念, 通俗来说智能指针就是自动的进行资源的释放.

2. 内存泄漏

2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。

内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
{
	// 1.内存申请了忘记释放
	int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	int* p2 = new int;

	// 2.异常安全问题
	int* p3 = new int[10];

	Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.

	delete[] p3;
}

2.2 内存泄漏分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄漏(Heap leak) 堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
系统资源泄漏指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

2.3如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库.这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下: 内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。

3. 智能指针的使用及原理

3.1 RAII

RAII（Resource Acquisition 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。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

不需要显式地释放资源。
采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};
int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
	ShardPtr<int> sp1(new int);
	ShardPtr<int> sp2(new int);
	cout << div() << endl;
}

int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

3.2 智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。

template<class T>
class SmartPtr {
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}

	T& operator*() { return *_ptr; }
	T* operator->() { return _ptr; }
private:
	T* _ptr;
};
struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10
		cout << *sp1 << endl;

	SmartPtr<int> sparray(new Date);
	// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
	// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
	sparray->_year = 2018;
	sparray->_month = 1;
	sparray->_day = 1;
}

总结一下智能指针的原理：

RAII特性
重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

3.3 std::auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。 auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一bit::auto_ptr来了解它的原理

// C++98 管理权转移 auto_ptr
namespace bit
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			// 管理权转移
			sp._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
			// 检测是否为自己给自己赋值
			if (this != &ap)
			{
				// 释放当前对象中资源
				if (_ptr)
					delete _ptr;
				// 转移ap中资源到当前对象中
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = NULL;
			}
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		// 像指针一样使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}
// 结论：auto_ptr是一个失败设计，很多公司明确要求不能使用auto_ptr
//int main()
//{
// std::auto_ptr<int> sp1(new int);
// std::auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移
//
// // sp1悬空
// *sp2 = 10;
// cout << *sp2 << endl;
// cout << *sp1 << endl;
// return 0;
//}

auto_ptr的拷贝只是单纯的将权限转移, 那么之前的对象就不能再使用了, 导致悬空状态

3.4 std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr

unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理

// C++11库才更新智能指针实现
// C++11出来之前，boost搞除了更好用的scoped_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// C++11将boost库中智能指针精华部分吸收了过来
// C++11->unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// unique_ptr/scoped_ptr
// 原理：简单粗暴 -- 防拷贝
namespace bit
{
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		~unique_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		// 像指针一样使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
	private:
		T* _ptr;
	};
}
//int main()
//{
// /*bit::unique_ptr<int> sp1(new int);
// bit::unique_ptr<int> sp2(sp1);*/
//
// std::unique_ptr<int> sp1(new int);
// //std::unique_ptr<int> sp2(sp1);
//
// return 0;
//}

那么这样一来, 就无法进行拷贝.

3.5 std::shared_ptr

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。例如：

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。

#pragma once
#include<iostream>
#include<functional>
using namespace std;

namespace my
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
		{}

		//自定义删除器
		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			, _del(del)
		{}

		//拷贝构造
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			,_pcount(sp._pcount)
		{
			++(*_pcount);
		}

		void release()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				_del(_ptr);
				delete _pcount;
				_ptr = nullptr;
				_pcount = nullptr;
			}
		}

		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr)
			{
				release();
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
			}
			return *this;
		}

		~shared_ptr()
		{
			release();
		}

		T* get() const
		{
			return _ptr;
		}

		int use_count() const
		{
			return *_pcount;
		}

		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;

		//默认delete
		function<void(T* ptr)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};
	template<class T>
	class week_ptr
	{
	public:
		week_ptr()
		{}

		week_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{}

		week_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}
	private:
		T* _ptr = nullptr;
	};
}

#include"shared_ptr.h"

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}

	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};

class Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		cout << "Fclose()" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};

template<class T>
class DeleteArray
{
public:
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "delete []" << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

struct ListNode
{
	int _data;
	my::week_ptr<ListNode> _next;
	my::week_ptr<ListNode> _prev;
};

int main()
{
	my::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	my::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	my::shared_ptr<Date> sp3(new Date);

	//自己给自己赋值
	sp3 = sp3;

	my::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("test.cpp", "r"), Fclose());
	my::shared_ptr<Date> sp6(new Date[4], DeleteArray<Date>());
	my::shared_ptr<int> sp7((int*)malloc(40), [](int* ptr)
		{
			cout << "free: " << ptr << endl;
			free(ptr);
		});
	return 0;
}

std::shared_ptr的循环引用

struct ListNode
{
	int _data;

	my::shared_ptr<ListNode> _next;
	my::shared_ptr<ListNode> _prev;

	/*my::week_ptr<ListNode> _next;
	my::week_ptr<ListNode> _prev;*/
};


int main()
{
	my::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	my::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;

	n1->_next = n2;
	n2->_next = n1;

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	return 0;
}

如果只有一个_next指向n2, 此时不会发生循环访问, 因为n2析构了, n2的引用计数减为1, 然后n1析构, 则next释放, 然后n2就释放了.

如果需要解决上述问题, 就需要使用weak_ptr, 我们这里简单模拟一下, 也就是将资源交给weak_ptr管理, 这时shared_ptr中的引用计数就不需要++了, 也就不会发生循环引用的问题

	template<class T>
	class week_ptr
	{
	public:
		week_ptr()
		{}

		week_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{}

		week_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}
	private:
		T* _ptr = nullptr;
	};

4. C++11和boost中智能指针的关系

C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

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原始发表：2024-11-04，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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