C++ - 智能指针

1. 智能指针基本概念

1.1 RAll

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

• 不需要显式地释放资源。
• 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

在C++中，智能指针一共定义了4种： auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr。其中 auto_ptr 在 C++11已被摒弃，在C++17中已经移除不可用。

C++11 中提供了三种智能指针，使用这些智能指针时需要引用头文件 #include <memory>

 

1.2 智能指针概念

  在c++中，动态内存的管理式通过一对运算符来完成的：new,在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针，我们可以选择对对象进行初始化；

delete，接受一个动态对象的指针，销毁该对象，并释放与之关联的内存。动态内存的使用很容易出现问题，因为确保在正确的时间释放内存是极其困难的。有时使用完对象后，忘记释放内存，造成内存泄漏的问题。

•   所谓的智能指针本质就是一个类模板，它可以创建任意的类型的指针对象，当智能指针对象使用完后，对象就会自动调用析构函数去释放该指针所指向的空间。

下面是智能指针的基本框架，所有的智能指针类模板中都需要包含一个指针对象，构造函数和析构函数。

 

2. 原始指针的问题

原始指针的问题大家都懂，就是如果忘记删除，或者删除的情况没有考虑清楚，容易造成悬挂指针(dangling pointer)或者说野指针(wild pointer)。

我们看个简单的例子

objtype *p = new objtype();
p -> func();
delete p;

上面的代码结构是我们经常看到的。里面的问题主要有以下两点：

1.代码的最后，忘记执行delete p的操作。

2.第一点其实还好，比较容易发现也比较容易解决。比较麻烦的是，如果func()中有异常，delete p语句执行不到，这就很难办。有的同学说可以在func中进行删除操作，理论上是可以这么做，实际操作起来，会非常麻烦也非常复杂。

此时，智能指针就可以方便我们控制指针对象的生命周期。在智能指针中，一个对象什么情况下被析构或被删除，是由指针本身决定的，并不需要用户进行手动管理，是不是瞬间觉得幸福感提升了一大截，有点幸福来得太突然的意思，终于不用我自己手动删除指针了。

 

3. 常见的智能指针

3.1 auto_ptr

auto_ptr是c++98版本库中提供的智能指针，该指针解决上诉的问题采取的措施是管理权转移的思想，也就是原对象拷贝给新对象的时候，原对象就会被设置为nullptr，此时就只有新对象指向一块资源空间。

如果auto_ptr调用拷贝构造函数或者赋值重载函数后，如果再去使用原来的对象的话，那么整个程序就会崩溃掉（因为原来的对象被设置为nullptr)，这对程序是有很大的伤害的.所以很多公司会禁用auto_ptr智能指针。

3.1.1 特点

  ①只能有一个智能指针占用对象的所有权。

3.1.2 案例一

3.1.3 案例二

注： auto_ptr不能赋值和用于初始化另一个对象。如果进行了此类操作，则原智能指针对象无效。

3.1.4 案例三

3.1.5 案例四

3.1.6 缺点

  ①auto_ptr不能赋值和用于初始化另一个对象，如果经行了此类操作，则原智能指针对象无效。——例如 案例二和案例三。

  ②auto_ptr只能管理单个对象，不能管理对象数组。——例如 案例四以表明。auto_ptr析构函数使用的是delete，而不是delete[ ]。

  ③在C++11标准中已经废弃auto_ptr。——原因：<1>它可能导致对同一块堆空间进行多次delete。<2>当两个智能指针都指向同一个堆空间时，每个智能指针都会delete一下这个堆空间, 这会导致未定义行为。

 

3.2 unique_ptr

unique_ptr是c++11版本库中提供的智能指针,它直接将拷贝构造函数和赋值重载函数给禁用掉，因此，不让其进行拷贝和赋值。

unique_ptr的拷贝函数和赋值重载函数

3.2.1 特点

  ①unique_ptr可以看成是auto_ptr的代替品，因为它对对象的所有权比较专一，所以叫unique

  ②不允许进行拷贝构造和赋值操作。

  ③允许函数返回unique_ptr类型指针

  ④支持对象数组。

 

3.2.2 案例一

3.2.3 案例二：对案例一进行正确修改

3.2.4 案例三

对应特点③——允许函数返回unique_ptr类型指针

 

3.2.5 unique_ptr的缺点

  无法进行拷贝构造和赋值操作。

 

3.3 sharshared_ptr

share_ptr是c++11版本库中的智能指针，shared_ptr允许多个智能指针可以指向同一块资源，并且能够保证共享的资源只会被释放一次，因此是程序不会崩溃掉。

3.3.1 特点

  ①shared_ptr定义智能指针A拷贝构造产生智能指针B的时候，A和B共享一个对象。

  ②shared_ptr定义智能指针A赋值给shared_ptr定义的智能指针B的时候，A和B共享一个对象。

3.3.2 实现原理

shared_ptr采用的是引用计数原理来实现多个shared_ptr对象之间共享资源：

• shared_ptr在内部会维护着一份引用计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
• 当一个shared_ptr对象被销毁时（调用析构函数），析构函数内就会将该计数减1。
• 如果引用计数减为0后，则表示自己是最后一个使用该资源的shared_ptr对象，必须释放资源。
• 如果引用计数不是0，就说明自己还有其他对象在使用，则不能释放该资源，否则其他对象就成为野指针。

引用计数是用来记录资源对象中有多少个指针指向该资源对象。

销毁过程：

 

3.3.3 案例一 ——创建对象

3.3.4 案例二 —— 拷贝构造、赋值

3.3.5 案例三 —— 两个shared_ptr同时指向普通指针

缺点：循环引用的时候，会带来内存泄漏。

         p指针指向空间被释放了两次，这种问题被比喻成“二龙治水”，部分编译器对此做了优化不会报错。

shared_ptr智能指针详解图

 

3.3.6 案例四 —— 循环引用问题

 可以看到目前的引用计数都是2，当代码执行完之后，才会调用析构函数，可以看到这两个都没有调用析构函数，产生这种问题的原因是：A引用了B，B又引用了A。

解决这种问题需要使用弱引用计数 weak_ptr

改完之后再重新编译一下

可以看到引用计数都是1，当sp1和sp2脱离生命周期的时候就会执行析构函数。

 

3.4 weak_ptr

弱引用指针，不会影响对象的引用计数，通常与shared_ptr一起使用。

3.4.1 特点

  ①weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针来协助shared_ptr工作。

  ②weak_ptr的含义为“弱引用”，它的构造和析构不会引起引用计数的增加或减少。

  ③它可以从一个shared_ptr或另一个weak_ptr产生。

  ④他没有重载*和 -> ,所以不能通过它访问对象内部的成员。

  ⑤可以使用它提供的lock（）获得一个可用的shared_ptr对象。

 

3.4.2 案例一：weak_ptr智能指针创建

3.4.3 案例二

调用lock()创建shared_ptr指针时才会引用实际对象。

在lock()成功时会延长shared_ptr对象的生命周期，因为它递增了一个引用计数。

expired()函数用作判断weak_ptr智能指针是否过期，过期返回true。

 expired（）用于判断object2是否过期，即object2中是否还有指向内容，如果没有过期就继续。

3.4.4 案例三 帮助shared_ptr解决循环引用问题

 

4. 智能指针总结

1. std::unique_ptr：独占型指针，保证同一时间内只有一个智能指针可以指向对象。

2. std::shared_ptr：共享型指针，当存在多个shared_ptr指向同一个对象时，该对象不会自动销毁。

3. std::weak_ptr：弱引用指针，不会影响对象的引用计数，通常与shared_ptr一起使用。

4. std::auto_ptr（已废弃）：自动释放型指针，在C++11后被std::unique_ptr取代。

 

 

更多参考文档：

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• std::shared_ptr：共享的智能指针。     链接：https://subingwen.cn/cpp/shared_ptr/
• std::unique_ptr：独占的智能指针。    链接：https://subingwen.cn/cpp/unique_ptr/
• std::weak_ptr：弱引用的智能指针。    链接：https://subingwen.cn/cpp/weak_ptr/

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