C++智能指针 原理、使用与实现
目录
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- 理解智能指针的原理
- 智能指针的使用
- 智能指针的设计和实现
1.智能指针的作用
C++程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。
理解智能指针需要从下面三个层次：
- 从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
- 智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
- 智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：
Animal a = new Animal();
Animal b = a;
你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，
Animal a;
Animal b = a;
这里却是就是生成了两个对象。
关于值语言参考这篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
2.智能指针的使用
智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr
2.1 shared_ptr的使用
shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
- 初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的写法是错误的
- 拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。
- get函数获取原始指针
- 注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存
- 注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。
#include <iostream>
#include <memory>
int main() {
{
int a = 10;
std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a);
std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //copy
std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
int b = 20;
int *pb = &a;
//std::shared_ptr<int> ptrb = pb; //error
std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);
ptra2 = ptrb; //assign
pb = ptrb.get(); //获取原始指针
std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
}
}
2.2 unique_ptr的使用
unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。
#include <iostream>
#include <memory>
int main() {
{
std::unique_ptr<int> uptr(new int(10)); //绑定动态对象
//std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr; //不能賦值
//std::unique_ptr<int> uptr2(uptr); //不能拷貝
std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權
uptr2.release(); //释放所有权
}
//超過uptr的作用域，內存釋放
}
2.3 weak_ptr的使用
weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。
#include <iostream>
#include <memory>
int main() {
{
std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;
std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
std::cout << wp.use_count() << std::endl;
if(!wp.expired()){
std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr
*sh_ptr = 100;
std::cout << wp.use_count() << std::endl;
}
}
//delete memory
}
2.4 循环引用
考虑一个简单的对象建模——家长与子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。在Java 里边很好写，不用担心内存泄漏，也不用担心空悬指针，只要正确初始化myChild 和myParent，那么Java 程序员就不用担心出现访问错误。一个handle 是否有效，只需要判断其是否non null。
public class Parent
{
private Child myChild;
}
public class Child
{
private Parent myParent;
}
在C++ 里边就要为资源管理费一番脑筋。如果使用原始指针作为成员，Child和Parent由谁释放？那么如何保证指针的有效性？如何防止出现空悬指针？这些问题是C++面向对象编程麻烦的问题，现在可以借助smart pointer把对象语义（pointer）转变为值（value）语义，shared_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。但是这个模型存在循环引用的问题，注意其中一个指针应该为weak_ptr。
原始指针的做法，容易出错
#include <iostream>
#include <memory>
class Child;
class Parent;
class Parent {
private:
Child* myChild;
public:
void setChild(Child* ch) {
this->myChild = ch;
}
void doSomething() {
if (this->myChild) {
}
}
~Parent() {
delete myChild;
}
};
class Child {
private:
Parent* myParent;
public:
void setPartent(Parent* p) {
this->myParent = p;
}
void doSomething() {
if (this->myParent) {
}
}
~Child() {
delete myParent;
}
};
int main() {
{
Parent* p = new Parent;
Child* c = new Child;
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
delete c; //only delete one
}
return 0;
}
循环引用内存泄露的问题
#include <iostream>
#include <memory>
class Child;
class Parent;
class Parent {
private:
std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
public:
void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
this->ChildPtr = child;
}
void doSomething() {
if (this->ChildPtr.use_count()) {
}
}
~Parent() {
}
};
class Child {
private:
std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
this->ParentPtr = parent;
}
void doSomething() {
if (this->ParentPtr.use_count()) {
}
}
~Child() {
}
};
int main() {
std::weak_ptr<Parent> wpp;
std::weak_ptr<Child> wpc;
{
std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
std::shared_ptr<Child> c(new Child);
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
wpp = p;
wpc = c;
std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2
}
std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 1
std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 1
return 0;
}
正确的做法
#include <iostream>
#include <memory>
class Child;
class Parent;
class Parent {
private:
//std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
public:
void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
this->ChildPtr = child;
}
void doSomething() {
//new shared_ptr
if (this->ChildPtr.lock()) {
}
}
~Parent() {
}
};
class Child {
private:
std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
this->ParentPtr = parent;
}
void doSomething() {
if (this->ParentPtr.use_count()) {
}
}
~Child() {
}
};
int main() {
std::weak_ptr<Parent> wpp;
std::weak_ptr<Child> wpc;
{
std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
std::shared_ptr<Child> c(new Child);
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
wpp = p;
wpc = c;
std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
}
std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 0
return 0;
}
3.智能指针的设计和实现
下面是一个简单智能指针的demo。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。
1 #include <iostream>
2 #include <memory>
3
4 template<typename T>
5 class SmartPointer {
6 private:
7 T* _ptr;
8 size_t* _count;
9 public:
10 SmartPointer(T* ptr = nullptr) :
11 _ptr(ptr) {
12 if (_ptr) {
13 _count = new size_t(1);
14 } else {
15 _count = new size_t(0);
16 }
17 }
18
19 SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {
20 if (this != &ptr) {
21 this->_ptr = ptr._ptr;
22 this->_count = ptr._count;
23 (*this->_count)++;
24 }
25 }
26
27 SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
28 if (this->_ptr == ptr._ptr) {
29 return *this;
30 }
31
32 if (this->_ptr) {
33 (*this->_count)--;
34 if (this->_count == 0) {
35 delete this->_ptr;
36 delete this->_count;
37 }
38 }
39
40 this->_ptr = ptr._ptr;
41 this->_count = ptr._count;
42 (*this->_count)++;
43 return *this;
44 }
45
46 T& operator*() {
47 assert(this->_ptr == nullptr);
48 return *(this->_ptr);
49
50 }
51
52 T* operator->() {
53 assert(this->_ptr == nullptr);
54 return this->_ptr;
55 }
56
57 ~SmartPointer() {
58 (*this->_count)--;
59 if (*this->_count == 0) {
60 delete this->_ptr;
61 delete this->_count;
62 }
63 }
64
65 size_t use_count(){
66 return *this->_count;
67 }
68 };
69
70 int main() {
71 {
72 SmartPointer<int> sp(new int(10));
73 SmartPointer<int> sp2(sp);
74 SmartPointer<int> sp3(new int(20));
75 sp2 = sp3;
76 std::cout << sp.use_count() << std::endl;
77 std::cout << sp3.use_count() << std::endl;
78 }
79 //delete operator
80 }
参考：
- 值语义：http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
- shared_ptr使用：http://www.cnblogs.com/jiayayao/archive/2016/12/03/6128877.html
- unique_ptr使用：http://blog.csdn.net/pi9nc/article/details/12227887
- weak_ptr的使用：http://blog.csdn.net/mmzsyx/article/details/8090849
- weak_ptr解决循环引用的问题：http://blog.csdn.net/shanno/article/details/7363480
- C++面试题（四）——智能指针的原理和实现
