深入了解C++智能指針的使用
一、C++11智能指針概述
在C++中，動(dòng)態(tài)內(nèi)存的使用時(shí)有一定的風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)樗鼪](méi)有垃圾回收機(jī)制，很容易導(dǎo)致忘記釋放內(nèi)存的問(wèn)題，具體體現(xiàn)在異常的處理上。想要釋放掉拋異常的程序的一些內(nèi)存，往往需要多次拋異常，這種處理方式是十分麻煩的。
智能指針的本質(zhì)就是使用一個(gè)對(duì)象來(lái)接管一段開辟的空間，在該對(duì)象在銷毀的時(shí)候，自動(dòng)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)來(lái)釋放這段內(nèi)存。
因此智能指針的本質(zhì)是一個(gè)類，類中最主要的對(duì)象是一個(gè)指針，該類的析構(gòu)函數(shù)就是銷毀該指針指向的空間，使用智能指針的本質(zhì)就是將一個(gè)指向動(dòng)態(tài)開辟空間的指針賦給該類中的指針。不過(guò)這樣的處理過(guò)程會(huì)有一定的問(wèn)題，比如淺拷貝等。
C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了兩種智能指針類型來(lái)管理動(dòng)態(tài)對(duì)象，由于該對(duì)象的行為酷似指針，所以稱為智能指針。它們分別是shared_ptr以及unique_ptr。還提供了一個(gè)weak_ptr它主要是為了解決shared_ptr的循環(huán)引用問(wèn)題。
shared_ptr允許多個(gè)指針指向同一個(gè)對(duì)象，unique_ptr則獨(dú)占所指向的對(duì)象。
二、C++98中的智能指針
在很早以前，大佬們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了內(nèi)存釋放的問(wèn)題，因此為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中增加了一個(gè)類：auto_str。它有著和unique_str智能指針類似的功能，它雖然成功的將一個(gè)開辟的資源塞給了一個(gè)類，不過(guò)存在很嚴(yán)重的問(wèn)題，一些公司已經(jīng)明令禁止使用它了：
auto_ptr<int> sptr1(new int);
auto_ptr<int> sptr2(sptr1);
*sptr1;
此時(shí)如果對(duì)sptr1進(jìn)行解引用操作，會(huì)發(fā)生報(bào)錯(cuò)。要了解報(bào)錯(cuò)的原因，我們需要了解它的大致底層原理，作為第一個(gè)出現(xiàn)的智能指針，它只是簡(jiǎn)單執(zhí)行了將資源轉(zhuǎn)移，以及在析構(gòu)中加入資源釋放，還有一些解引用的運(yùn)算符重載函數(shù)：
template<class T>
class MyAuto
{
private:
T* _ptr;
public:
MyAuto(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~MyAuto()
{
if (_ptr != nullptr)
{
cout << "delete: " << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
MyAuto(MyAuto<T>& Ptr)
{
_ptr = Ptr._ptr;
Ptr._ptr = nullptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
};可以發(fā)現(xiàn)，最終是淺拷貝的鍋。因?yàn)樵谶M(jìn)行資源轉(zhuǎn)移的時(shí)候，必須將原來(lái)的指針置為nullptr，否則析構(gòu)的時(shí)候會(huì)析構(gòu)兩次。而將其置為nullptr之后再要使用該指針對(duì)其進(jìn)行解引用就會(huì)發(fā)生崩潰。
三、C++11中的智能指針
1.unique_ptr
unique_ptr處理上述問(wèn)題簡(jiǎn)單而粗暴，即不讓進(jìn)行拷貝操作：
unique_ptr<int> sptr1(new int);
unique_ptr<int> sptr2(sptr1);
直接進(jìn)行報(bào)錯(cuò)處理。
我們也可以猜測(cè)出它的實(shí)現(xiàn)方式，那就是在拷貝構(gòu)造和賦值構(gòu)造的后面加上delete關(guān)鍵字。
template<class T>
class MyUnique
{
private:
T* _ptr;
public:
MyUnique(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~MyUnique()
{
if (_ptr != nullptr)
{
cout << "delete: " << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
MyUnique(MyUnique<T>& Ptr) = delete;
MyUnique& operator=(MyUnique<T>& Ptr) = delete;
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
};2.shared_ptr
(1)引用計(jì)數(shù)器
shared_ptr是使用最多的智能指針，即它可以進(jìn)行拷貝構(gòu)造。
- 每一個(gè)智能指針類都有一個(gè)專門用于記錄該智能指針指向的資源的指針個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器。
- 當(dāng)多了一個(gè)智能指針指向該資源，則對(duì)所有指向該資源的智能指針的計(jì)數(shù)器進(jìn)行++操作，當(dāng)一個(gè)智能指針不再指向該資源的時(shí)候·，所有指向該資源的智能指針的計(jì)數(shù)器進(jìn)行–操作。
- 當(dāng)某一個(gè)智能指針將其–到0的時(shí)候由該智能指針釋放該資源。從而解決了不讓拷貝的根本問(wèn)題：防止資源釋放多次。
- 同時(shí)智能指針有一個(gè)use_count函數(shù)來(lái)返回計(jì)數(shù)器的值。
shared_ptr<int> sptr1(new int(1));
shared_ptr<int> sptr2(sptr1);
shared_ptr<int> sptr3(sptr2);
cout << sptr1.use_count() << endl;
cout << sptr2.use_count() << endl;
cout << sptr2.use_count() << endl;
cout << "資源釋放成功" << endl;
(2)線程安全
涉及到共享，我們不得不將線程安全問(wèn)題考慮進(jìn)來(lái)，很顯然shared_ptr無(wú)論是要管理的資源的使用，還是要指向的該資源對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器的加減操作，都不是線程安全的。
- 對(duì)于要管理的資源來(lái)說(shuō)，如果多個(gè)線程不去使用該資源，是不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題的。因此如果需要使用該資源由于代碼量的不同位置，C++為了保證性能，希望用戶來(lái)自己保證它的線程安全，即由用戶自己來(lái)加鎖解鎖。
- 而對(duì)于資源計(jì)數(shù)器來(lái)說(shuō)，只要增加一個(gè)智能指針就會(huì)++，減少一個(gè)就會(huì)–，其邏輯明確簡(jiǎn)單，因此shared_ptr為其加了鎖。
template<class T>
class MyShared
{
private:
T* _ptr;
mutex* _pmtx;
int* _pcount;
public:
MyShared(T* ptr)
:_ptr(ptr),
_pmtx(new mutex),
_pcount(new int(1))
{}
void AddCount()
{
_pmtx->lock();
(*_pcount)++;
_pmtx->unlock();
}
void DelCount()
{
_pmtx->lock();
bool flag = false;
if (--(*_pcount) == 0)
{
if (_ptr != nullptr)
{
cout << "delete: " << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
delete _pcount;//當(dāng)為0的時(shí)候刪除計(jì)數(shù)器
_pcount = nullptr;
flag = true;
}
_pmtx->unlock();
if (flag == true)
{
delete _pmtx;
_pmtx = nullptr;
}
}
MyShared(MyShared<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr),
_pcount(sp._pcount),
_pmtx(sp._pmtx)
{
AddCount();
}
MyShared& operator=(MyShared<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
DelCount();//釋放管理的舊資源
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
_pmtx = sp._pmtx;
AddCount();//對(duì)管理的新資源的計(jì)數(shù)器進(jìn)行++
}
return *this;
}
//獲取引用計(jì)數(shù)
int use_count()
{
return *_pcount;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
};(3)刪除器
如果不是new出來(lái)的對(duì)象如何通過(guò)智能指針進(jìn)行管理呢？其實(shí)shared_ptr設(shè)計(jì)了一個(gè)刪除器來(lái)解決這一問(wèn)題。
template<class T>
struct FreeFunc
{
void operator()(T* ptr)
{
cout << "free:" << ptr << endl;
free(ptr);
}
};
template<class T>
struct DeleteArrayFunc
{
void operator()(T* ptr)
{
cout << "delete[]" << ptr << endl;
delete[] ptr;
}
???????};此時(shí)使用malloc進(jìn)行初始化的時(shí)候就也可以進(jìn)行清理空間了：
FreeFunc<int> freeFunc;
shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
3.weak_ptr
(1)shared_ptr中的循環(huán)調(diào)用問(wèn)題
循環(huán)調(diào)用問(wèn)題在一些特殊的情況下會(huì)產(chǎn)生：
1.node1和node2兩個(gè)智能指針指向兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，引用計(jì)數(shù)變成1，我們不需要手動(dòng)delete。
2.node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用計(jì)數(shù)變成2。
3.node1和node2析構(gòu)，引用計(jì)數(shù)減到1，但是_next還指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。但是_prev還指向上一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
4.也就是說(shuō)_next析構(gòu)了，node2就釋放了。
5.也就是說(shuō)_prev析構(gòu)了，node1就釋放了。
6.但是_next屬于node的成員，node1釋放了，_next才會(huì)析構(gòu)，而node1由_prev管理，_prev屬于node2成員，所
以這就叫循環(huán)引用，誰(shuí)也不會(huì)釋放。
struct ListNode
{
shared_ptr<ListNode> _next;
shared_ptr<ListNode> _prev;
};
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
node1 ->_next = node2;
node2 -> _prev = node1;
通俗來(lái)講，就是此時(shí)如果想釋放node2，那么就需要delete(n1->next)，但是如果要釋放n1->next就必須delete(n1)，而要deleten1又需要delete(node2->prev)因此如果不讓prev指向n就沒(méi)有問(wèn)題。
(2)weak_ptr
struct ListNode
{
std::weak_ptr<ListNode> _next;
std::weak_ptr<ListNode> _prev;
int _val;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
std::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
std::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;
}
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