一篇文章帶你了解C++智能指針詳解
為什么要有智能指針？
因為普通的指針存在以下幾個問題：
- 資源泄露
- 野指針
- 未初始化
- 多個指針指向同一塊內存，某個指針將內存釋放，別的指針不知道
- 異常安全問題
- 如果在 malloc和free 或者 new和delete 之間如果存在拋異常，那么也會導致內存泄漏。
資源泄漏示例代碼：
int main(){
int *p = new int;
*p = 1;
p = new int; // 未釋放之前申請的資源，導致內存泄漏
delete p;
return 0;
}
野指針示例代碼：
int main(){
int *p1 = new int;
int *p2 = p1;
delete p1;
*p2 = 1; // 申請的內存已經被釋放掉了，
return 0;
}
int main(){
int *p;
*p = 1; // 程序直接報錯， 使用了未初始化的變量
return 0;
}
解決方法：智能指針
智能指針的使用及原理
- 具有RALL 特性
- 重載了 operator* 和 operator ->,使其具有了指針一樣的行為
RALL
RALL（Resource Acquistion Is Initialization）是一種利用對象生命周期來控制程序資源（如內存，文件句柄，網絡連接，互斥量等）的簡單技術。
在對象構造時獲取資源，接著控制對資源的訪問使之在對象的生命周期內始終保持有效，最后在對象析構的時候釋放資源。相當于利用 對象 管理了一份資源。這樣的優(yōu)勢在于
1.不需要顯式的釋放資源（對象析構時，自動釋放資源）
2.采用這種方式，對象所需的資源在其生命周期內始終保持有效。
智能指針就是一個實例出來的對象
C++98版本的庫中就提供了auto_ptr的智能指針。但是 auto_ptr存在當對象拷貝或者賦值之后，前面的對象就懸空了。
C++11 提供更靠譜的并且支持拷貝的 shared_ptr
shared_ptr :
通過引用計數的方式實現多個shared_ptr 對象之間共享資源。
shared_ptr在其內部，給每個資源都維護了著一份計數，用來記錄該份資源被幾個對象共享。在對象被銷毀時(也就是析構函數調用)，就說明自己不使用該資源了，對象的引用計數減一。如果引用計數是0，就說明自己是最后一個使用該資源的對象，必須釋放該資源；如果不是0，就說明除了自己還有其他對象在使用該份資源，不能釋放該資源，否則其他對象就成野指針了
unique_ptr ：
確保一個對象同一時刻只能被一個智能指針引用，可以轉移所有權（可以從一個智能指針轉移到另一個智能指針）
auto_ptr ：
C++11 已棄用， 與unique_ptr 類似
使用時，需包含頭文件
#include <memory>
shared_ptr的使用注意事項
創(chuàng)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 支持使用比較運算符，使用時，會調用共享指針內部封裝的原始指針的比較運算符。
支持
==、!=、<、<=、>、>=
使用 比較運算符 的前提 必須是 同類型
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 指針與 NULL 指針相比 ，都是大于 bool b3 = p3 == p3; // true bool b4 = p4 < p2 // 編譯失敗，類型不一致
shared_ptr 可以使用強制類型轉換，但是不能使用普通的強制類型轉換符
1.shared_ptr 強制類型轉換符 允許將其中包含的指針強制轉換為其它類型
2.不能使用普通的強制類型轉換運算符，否則會導致未定義行為
3.shared_ptr 的強制類型轉換運算符包括
static_pointer_cast
dynamic_pointer_cast
const_pointer_cast
示例：
shared_ptr<void> p(new int); // 內部保留 void* 指針 static_pointer_cast<int*>(p); // 正確的 強制類型轉換方式 shared_ptr<int> p1(static_cast<int*>(p.get())); // 錯誤的強制類型轉換方式，未定義錯誤
多個 shared_ptr 不能擁有同一個對象
利用代碼理解
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); // 該對象可以正常析構
shared_ptr<Mytest> p2(p); // 對象銷毀時，錯誤，讀取位置 0xDDDDDDDD 時發(fā)生訪問沖突。
return 0;
}
上述代碼， 共享指針 p1 對象在程序 結束時，調用析構，釋放了p 所指向的空間， 當 p2 進行析構的時候，又釋放p所指向的空間， 但是由于已經釋放過了， 重復釋放已經釋放過的內存，導致段錯誤。
可以使用 shared_from_this 避免這種問題
改進代碼：
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(); // 正確做法
return 0;
}
shared_ptr 的銷毀
shared_ptr 在初始化的時候，可以定義刪除器，刪除器可以定義為 普通函數、匿名函數、函數指針等符合要求的可調用對象
示例代碼：
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;
}
執(zhí)行結果：
begin
Fun delete p3
end
Lamda deletep1
分析結果：
首先 ，p3在{ }作用域內 ，生命周期最先結束，調用delFun作為刪除器
其次，p2 也在{ } 作用域內，生命周期也結束了，但是因為 p1 和 p2 指向了同一個對象，所以p2 銷毀只是將其 對象 引用計數 -1。
最后，程序運行結束，p1銷毀，其對象引用計數-1 變?yōu)?，調用 刪除器，銷毀對象。
shared_ptr<char> p(new char[10]); // 編譯能夠通過，但是會造成資源泄漏
// 正確做法
shared_ptr<char> p(new char[10], [](char* p){
delete p[];
});
// 正確做法
shared_ptr<char> p(new char[10], default_delete<char[]>());
- 可以為數組創(chuàng)建一個shared_ptr ，但是這樣會造成資源泄露。因為 shared_ptr 提供默認的刪除調用的是 delete，而不是 delete[]
- 可以使用自定義刪除器，刪除器中使用 delete[]
- 可以使用 default_delete 作為刪除器，因為它使用 delete[]
shared_ptr 存在的問題：
1.循環(huán)引用
不同對象相互引用，形成環(huán)路
2.想要共享但是不想擁有對象
shared_ptr 的線程安全問題
1. shared_ptr 對象中引用計數是多個shared_ptr對象共享的，兩個線程中shared_ptr的引用計數同時++或–，這個操作不是原子的，引用計數原來是1，++了兩次，可能還是2 這樣引用計數就錯亂了。會導致資源未釋放或者程序崩潰的問題。所以只能指針中引用計數++、–是需要加鎖的，也就是說引用計數的操作是線程安全的。
2.shared_ptr 管理的對象存放在堆上，兩個線程中同時去訪問，會導致線程安全問題。
// 1.因為線程安全問題是偶現性問題，main函數的n改大一些概率就變大了，就
容易出現了。
void SharePtrFunc(shared_ptr<Date>& sp, size_t n)
{
cout << sp.Get() << endl;
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 這里智能指針拷貝會++計數，智能指針析構會--計數，這里是線程安全的。
shared_ptr<Date> copy(sp);
// 這里智能指針訪問管理的資源，不是線程安全的。所以我們看看這些值兩個線程++了2n次，但是最終看到的結果，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 的循環(huán)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;
}
循環(huán)引用代碼分析：
node1和node2兩個智能指針對象指向兩個節(jié)點，引用計數變成1，不需要手動delete。
node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用計數變成2。
node1和node2析構，引用計數減到1，但是_next還指向下一個節(jié)點。但是_prev還指向上一個節(jié)點。
也就是說_next析構了，node2就釋放了。
也就是說_prev析構了，node1就釋放了。
但是_next屬于node的成員，node1釋放了，_next才會析構，而node1由_prev管理，_prev屬于node2成員，所以這就叫循環(huán)引用，誰也不會釋放。
解決方案：在引用計數的場景下，把節(jié)點中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
原理：
node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;時weak_ptr的_next和_prev不會增加
node1和node2的引用計數。
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
- 同一個對象，只能有唯一的一個 unique_ptr 指向它
- 繼承了自動指針 auto_ptr，
- 有助于避免發(fā)生異常時導致的資源泄漏
unique_ptr的使用
unique_ptr 定義了*、-> 運算符，沒有定義 ++ 之類的指針算法
unique_ptr 不允許使用賦值語法進行初始化，必須使用普通指針直接初始化
unique_ptr 可以為 空
unique_ptr 不能使用普通的復制語義賦值， 可以使用 C++11 的 move() 函數
unique_ptr 獲得新對象時，會銷毀之前的對象
unique_ptr 防止拷貝的原理：
// C++98防拷貝的方式：只聲明不實現+聲明成私有 UniquePtr(UniquePtr<T> const &); UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &); // C++11防拷貝的方式：delete UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete; UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;
總結
本篇文章就到這里了，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關注腳本之家的更多內容！
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