C++智能指针:shared_ptr、unique_ptr
C++内存资源管理不当。比如:
(1) 有些内存资源已经被释放,但指向它的指针并没有改变指向(成为了野指针),并且后续还在使用;
(2) 有些内存资源已经被释放,后期又试图再释放一次(重复释放同一块内存会导致程序运行崩溃);
(3) 没有及时释放不再使用的内存资源,造成内存泄漏,程序占用的内存资源越来越多。
C++11 新标准在废弃 auto_ptr 的同时,增添了 unique_ptr、shared_ptr 以及 weak_ptr 这 3 个智能指针来实现堆内存的自动回收。
所谓智能指针,可以从字面上理解为“智能”的指针。具体来讲,智能指针和普通指针的用法是相似的,不同之处在于,智能指针可以在适当时机自动释放分配的内存。也就是说,使用智能指针可以很好地避免“忘记释放内存而导致内存泄漏”问题出现。由此可见,C++ 也逐渐开始支持垃圾回收机制了,尽管目前支持程度还有限。
C++ 智能指针底层是采用引用计数的方式实现的。简单的理解,智能指针在申请堆内存空间的同时,会为其配备一个整形值(初始值为 1),每当有新对象使用此堆内存时,该值 +1;反之,每当使用此堆内存的对象被释放时,该值减 1。当堆空间对应的值为 0 时,即表明不再有对象使用它,该堆空间就会被释放掉。
值得一提的是,和 unique_ptr、weak_ptr 不同之处在于,多个 shared_ptr 智能指针可以共同使用同一块堆内存。并且,由于该类型智能指针在实现上采用的是引用计数机制,即便有一个 shared_ptr 指针放弃了堆内存的“使用权”(引用计数减 1),也不会影响其他指向同一堆内存的 shared_ptr 指针(只有引用计数为 0 时,堆内存才会被自动释放)。
shared_ptr.cpp:
#include<iostream> #include<string.h> #include<memory> #include<stdio.h> using namespace std; int main() { //通过如下 2 种方式,可以构造出 shared_ptr<T> 类型的空智能指针。 shared_ptr<int> p1; shared_ptr<int> p2(nullptr); printf("p1: %d, p2: %d\n",p1.use_count(), p2.use_count()); /*注意,空的 shared_ptr 指针,其初始引用计数为 0,而不是 1*/ //构建shared_ptr智能指针,以下2种均可。 shared_ptr<int> p3(new int(10)); shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>(10); //调用拷贝构造函数 shared_ptr<int> p4(p3); //等价于shared_ptr<int> p4 = p3; //调用移动构造函数 shared_ptr<int> p5(move(p4)); //等价于shared_ptr<int> p5 = move(p4); /* 如上所示,p3 和 p4 都是 shared_ptr 类型的智能指针,因此可以用 p3 来初始化 p4,由于 p3 是左值,因此会调用拷贝构造函数。 需要注意的是,如果 p3 为空智能指针,则 p4 也为空智能指针,其引用计数初始值为 0; 反之,则表明 p4 和 p3 指向同一块堆内存,同时该堆空间的引用计数会加 1。 而对于 move(p4) 来说,该函数会强制将 p4 转换成对应的右值,因此初始化 p5 调用的是移动构造函数。 另外和调用拷贝构造函数不同,用 move(p4) 初始化 p5,会使得 p5 拥有了 p4 的堆内存,而 p4 则变成了空智能指针。 */ //注意,同一普通指针不能同时为多个 shared_ptr 对象赋值,否则会导致程序发生异常。 int* ptr = new int; shared_ptr<int> p1(ptr); shared_ptr<int> p2(ptr); //错误 //对于申请的动态数组,释放规则可以使用 C++11 标准中提供的 default_delete<T> 模板类,我们也可以自定义释放规则. shared_ptr<int> p6(new int[10], default_delete<int[]>()); //自定义释放规则 void deleteInt(int *p) { delete []p; } //初始化智能指针,并自定义释放规则 shared_ptr<int> p7(new int[10], deleteInt); //lambda 表达式, 初始化 p7 shared_ptr<int> p7(new int[10], [](int* p){delete []p; }); return 0; }
作为智能指针的一种,unique_ptr 指针自然也具备“在适当时机自动释放堆内存空间”的能力。和 shared_ptr 指针最大的不同之处在于,unique_ptr 指针指向的堆内存无法同其它 unique_ptr 共享,也就是说,每个 unique_ptr 指针都独自拥有对其所指堆内存空间的所有权。
这也就意味着,每个 unique_ptr 指针指向的堆内存空间的引用计数,都只能为 1,一旦该 unique_ptr 指针放弃对所指堆内存空间的所有权,则该空间会被立即释放回收。
unique_ptr.cpp:
#include<iostream> #include<string.h> #include<memory> #include<stdio.h> using namespace std; int main() { //通过以下 2 种方式,可以创建出空的 unique_ptr 指针 unique_ptr<int> p1(); unique_ptr<int> p2(nullptr); /* 创建出了一个 p4 智能指针,其指向的是可容纳 1 个整数的堆存储空间。 和可以用 make_shared<T>() 模板函数初始化 shared_ptr 指针不同,C++11 标准中并没有为 unique_ptr 类型指针添加类似的模板函数。 */ unique_ptr<int> p4(new int); unique_ptr<int> p5(p4); //错误,堆内存不共享 /*值得一提的是,对于调用移动构造函数的 p4 和 p5 来说,p5 将获取 p4 所指堆空间的所有权,而 p4 将变成空指针(nullptr)*/ unique_ptr<int> p5(move(p4));//正确,调用移动构造函数 /* 默认情况下,unique_ptr 指针采用 default_delete<T> 方法释放堆内存。当然,我们也可以自定义符合实际场景的释放规则。 值得一提的是,和 shared_ptr 指针不同,为 unique_ptr 自定义释放规则,只能采用函数对象的方式。例如: */ //自定义的释放规则 struct myDel { void operator() (int *p) { delete p; } }; unique_ptr<int, myDel> p6(new int); return 0; }