智能指针

首先理解什么是RAII，RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是C++中用来管理资源的生命周期的一种技术。
在 RAII 中，资源的获取和释放是在对象的构造函数和析构函数中完成的。当对象被创建时，它的构造函数被调用，从而获取资源；当对象超出作用域时，其析构函数被调用，从而释放资源。这样就确保了资源在对象的生命周期内始终是有效的，即使在发生异常或其他错误的情况下也能正确地释放资源。

不带引用计数的智能指针

下面实现一个非常简单的智能指针

#include <iostream>
#include <stdexcept>

template <typename T>
class SmartPointer
{
public:
    SmartPointer(T *ptr) : _ptr(ptr) {}
    ~SmartPointer()
    {
        delete _ptr;
    }
    T *operator->() { return _ptr; }
    T &operator*() { return *_ptr; }

private:
    T *_ptr;
};

class Bar
{
public:
    ~Bar() { std::cout << "destructor" << std::endl; }
    void func() { std::cout << "func()" << std::endl; }
};

int main()
{
    {
        SmartPointer<Bar> f(new Bar());
        f->func();
        (*f).func();
    }
}

代码的运行结果如下：
func()
func()
destructor

可以看到，这个智能指针非常简单，就是在析构函数中正确释放资源，然后提供了->和*运算符重载函数。
智能指针就是对普通指针进行了一层封装，然后提供了对应的运算符重载函数，使其接口用起来像普通指针，同时在智能指针对象出作用域时会自动调用析构函数。
只要保证析构函数中，正确释放了资源，那么就能保证资源在出作用域时自动释放。

一般不将智能指针创建在堆上，创建在堆上SmartPointer<Bar> *f = new SmartPointer<Bar>(new Bar());，仍需要手动delete，才能访问智能指针的析构函数从而释放资源。这种做法与直接使用裸指针无异。

带引用计数的智能指针

上面的版本，不带引用计数，所以有一个很严重的问题。

int main()
{
    {
        SmartPointer<Bar> sp(new Bar());
        SmartPointer<Bar> sp2(sp);  // 拷贝构造
    }
}

上面这个代码片段的执行结果为：
destructor
destructor
free(): double free detected in tcache 2
Aborted (core dumped)

可以发现，程序对同一个内存执行了两次delete。这是因为，SmartPointer<Bar> sp2(sp);执行的是浅拷贝，故两个智能指针对象中存放的是同一个内存地址，所以会有double free。
那么，能不能把这个浅拷贝改成深拷贝呢？
答案显然是不能的，改成深拷贝意味着每次执行拷贝都会重新开辟内存空间，然后拷贝数据，但本来的意图可能只是需要传递一个指针而已，也就是两个指针指向同一个内存。

那么，如何解决这个问题呢？从是否共享所有权的角度来分类，有两种办法：

不共享所有权：
- 拒绝拷贝的发生，直接把拷贝（移动）构造，拷贝（移动）赋值函数删除，对应的是std::scoped_ptr。
- 每次拷贝都是移动，都把资源的所有权转移出去，也就是只有最后一个智能指针拥有所有权，其它智能指针中都置为nullptr,对应的是std::auto_ptr。
- 允许移动构造、移动赋值操作，不允许拷贝构造、拷贝赋值,也就是c++11中的std::unique_ptr，通过std::unique_ptr<T> uptr2(std::move(uptr1))来创建新对象。

std::scoped_ptr只能用于单个对象，不能拷贝移动，std::auto_ptr自动转移所有权，容易出错，比如再次使用交出所有权的对象，这俩个都不推荐使用。

std::unique_ptr可以移动构造新对象，而且是显式的发生所有权的转移的。

共享所有权：
利用引用计数，通过引用计数是否为0,来判断是否真的执行delete操作。当发生拷贝时，引用计数加一，当有一个智能指针出作用域，对应的引用计数减一，当引用计数减为0时，才真正执行delete操作。
这样就能保证，不发生double free，同时最后一个出作用域的智能指针能够正确释放资源。

尝试实现一个带引用技术的智能指针

#include <iostream>
#include <stdexcept>

template <typename T>
class RefCnt
{

public:
    RefCnt(T *ptr) : ptr(ptr)
    {
        if (ptr)
            cnt = 1;
    }

    void increRef()
    {
        cnt++;
    }

    int decreRef()
    {
        return --cnt;
    }

private:
    T *ptr;
    int cnt; // 不是线程安全的
};

template <typename T>
class SharedPtr
{
public:
    SharedPtr(T *ptr) : ptr(ptr)
    {
        rc = new RefCnt<T>(ptr);
    }

    SharedPtr(const SharedPtr &sp) : ptr(sp.ptr), rc(sp.rc)
    {
        if (ptr)
            rc->increRef();
    }

    SharedPtr &operator=(const SharedPtr &sp)
    {
        if (this == &sp)
            return *this;

        if (0 == rc->decreRef())
        {
            delete ptr;
        }

        ptr = sp.ptr;
        rc = sp.rc;
        rc->increRef();
        return *this;
    }

    ~SharedPtr()
    {
        if (0 == rc->decreRef())
        {
            delete ptr;
            delete rc;
        }
    }

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

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

private:
    T *ptr;
    RefCnt<T> *rc;
};

int main()
{
    SharedPtr<int> sp1(new int(10));
    SharedPtr<int> sp2(sp1);
    SharedPtr<int> sp3(nullptr);
    sp3 = sp2;
    *sp1 = 42;
    std::cout << *sp2 << " " << *sp3 << std::endl;
}

shared_ptr,weak_ptr

shared_ptr: 强智能指针可以改变资源的引用计数
weak_ptr:弱智能指针不会改变资源的引用计数（一般用于解决强智能指针的循环引用问题，以及多线程环境下访问共享对象的线程安全问题）

shared_ptr：

shared_ptr 用于共享资源的所有权，可以有多个 shared_ptr 指向相同的内存资源。
每当有一个新的 shared_ptr 指向对象时，该对象的引用计数会增加。(通过将已有的shared_ptr拷贝或者赋值给新的shared_ptr对象)
当引用计数为零时，即没有任何 shared_ptr 指向对象时，对象会被自动销毁。

weak_ptr：

weak_ptr 可以由 shared_ptr构造而来，如std::weak_ptr<int> weak = shared;。
weak_ptr 用于解决 shared_ptr 的循环引用问题。它不会增加引用计数，因此不会影响对象的生命周期。
weak_ptr 允许你观察一个 shared_ptr 指向的对象，但不拥有它。如果所有指向对象的 shared_ptr 都被销毁，weak_ptr 会自动失效，避免悬挂指针问题。
weak_ptr 可以通过 lock() 方法转换为一个 shared_ptr，如果被观察的对象仍然存在，就返回一个有效的 shared_ptr；如果对象已被销毁，则返回一个空的 shared_ptr。

weak_ptr可以用于在多线程环境下，对不拥有所有权的资源的安全访问，通过这种弱引用，能够保证，不影响被观察的对象的生命周期，同时又能观察到该目标。
而如果用shared_ptr则会修改目标对象的生命周期。

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>

void worker(std::weak_ptr<int> weak) {
  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟一段时间后观察
  if (auto shared = weak.lock()) {
    std::cout << "shared_ptr is still valid. Value: " << *shared << std::endl;
  } else {
    std::cout << "shared_ptr has been released." << std::endl;
  }
}

int main() {
  std::shared_ptr<int> shared = std::make_shared<int>(42);

  std::thread observer(worker, std::weak_ptr<int>(shared));

  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
  shared.reset();

  observer.join();
  return 0;
}

weak_ptr还能用于解决shared_ptr导致的循环应用问题

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前置声明

class A {
public:
    A() { std::cout << "A constructor\n"; }
    ~A() { std::cout << "A destructor\n"; }
    void setB(std::shared_ptr<B> b) { m_b = b; }

private:
    std::shared_ptr<B> m_b;
};

class B {
public:
    B() { std::cout << "B constructor\n"; }
    ~B() { std::cout << "B destructor\n"; }
    void setA(std::weak_ptr<A> a) { m_a = a; }

private:
    std::weak_ptr<A> m_a;
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();

    // 创建循环引用
    a->setB(b);
    b->setA(a);

    // 释放智能指针
    a.reset();
    b.reset();

    // 此时 A 和 B 对象会正确地被销毁，避免了循环引用导致的内存泄漏
    return 0;
}

自定义删除器

使用 std::shared_ptr 或 std::unique_ptr 来管理动态分配的内存时，可以使用自定义的删除器（deleter）来指定如何释放资源，这在编写各种线程池、连接池、文件资源管理（使用自定义删除器来调用 fclose 关闭文件）时比较常用。


void custom_deleter(int* ptr) {
    std::cout << "Custom deleter called\n";
    delete ptr;
}

int main() {
    int* raw_ptr = new int(42);
    // 当然，除了使用函数指针，还可以使用函数对象或者lambda来实现。
    std::shared_ptr<int> ptr(raw_ptr, custom_deleter);

    return 0;
}

posted @ 2024-04-24 22:55 EricLing0529 阅读(6) 评论(0) 编辑收藏举报

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