面试：C++ 11 智能指针

查询内存泄露方法

啥是内存泄露

内存泄露在维基百科中的解释如下：

在计算机科学中，内存泄漏指由于疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存。内存泄漏并非指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，由于设计错误，导致在释放该段内存之前就失去了对该段内存的控制，从而造成了内存的浪费。

在C++中出现内存泄露的主要原因就是程序猿在申请了内存后(malloc(), new)，没有及时释放没用的内存空间，甚至消灭了指针导致该区域内存空间根本无法释放。

知道了出现内存泄露的原因就能知道如何应对内存泄露，即：不用了的内存空间记得释放，不释放留着过年哇！

内存泄漏可能会导致严重的后果：

• 程序运行后，随着时间占用了更多的内存，最后无内存可用而崩溃；
• 程序消耗了大量的内存，导致其他程序无法正常使用；
• 程序消耗了大量内存，导致消费者选用了别人的程序而不是你的；
• 经常做出内存泄露bug的程序猿被公司开出而贫困潦倒。

如何知道自己的程序存在内存泄露？

根据内存泄露的原因及其恶劣的后果，我们可以通过其主要表现来发现程序是否存在内存泄漏：程序长时间运行后内存占用率一直不断的缓慢的上升，而实际上在你的逻辑中并没有这么多的内存需求。

如何定位到泄露点呢？

1. 根据原理，我们可以先review自己的代码，利用"查找"功能，查询new与delete，看看内存的申请与释放是不是成对释放的，这使你迅速发现一些逻辑较为简单的内存泄露情况。
2. 如果依旧发生内存泄露，可以通过记录申请与释放的对象数目是否一致来判断。在类中追加一个静态变量 static int count;在构造函数中执行count++;在析构函数中执行count--;，通过在程序结束前将所有类析构，之后输出静态变量，看count的值是否为0，如果为0,则问题并非出现在该处，如果不为0，则是该类型对象没有完全释放。
3. 检查类中申请的空间是否完全释放，尤其是存在继承父类的情况，看看子类中是否调用了父类的析构函数，有可能会因为子类析构时没有是否父类中申请的内存空间。
4. 对于函数中申请的临时空间，认真检查，是否存在提前跳出函数的地方没有释放内存。

【如何优雅地检测内存泄漏？5种内存泄漏的检测及定位工具重新理解内存】

（C++后台开发）如何优雅地检测内存泄漏？5种内存泄漏的检测及定位工具重新理解内存_哔哩哔哩_bilibili​www.bilibili.com/video/BV1Fs4y177ht/?share_source=copy_web&vd_source=64f9e03b735a65ecab46f345348e1993​编辑

STL 的智能指针

为了减少出现内存泄露的情况，STL中使用智能指针来减少泄露。STL中一般有四种智能指针:

因为 auto_ptr 已经在 C++ 17 中移除，对于面向未来的程序员来说，最好减少在代码中出现该使用的频次吧，这里我便不再研究该类型。又因为weak_ptr是shared_ptr的弱引用，所以，主要的只能指针分为两个unique_ptr和shared_ptr。

std::unique_ptr 是通过指针占有并管理另一对象，并在 unique_ptr 离开作用域时释放该对象的智能指针。在下列两者之一发生时用关联的删除器释放对象：

• 销毁了管理的 unique_ptr 对象
• 通过 operator= 或 reset() 赋值另一指针给管理的 unique_ptr 对象。

std::shared_ptr 是通过指针保持对象共享所有权的智能指针。多个 shared_ptr 对象可占有同一对象。下列情况之一出现时销毁对象并解分配其内存：

• 最后剩下的占有对象的 shared_ptr 被销毁；
• 最后剩下的占有对象的 shared_ptr 被通过 operator= 或 reset() 赋值为另一指针。

unique_ptr

这是个独占式的指针对象，在任何时间、资源只能被一个指针占有，当unique_ptr离开作用域，指针所包含的内容会被释放。

创建

unique_ptr<int> uptr( new int );
unique_ptr<int[ ]> uptr( new int[5] );
​
//声明,可以用一个指针显示的初始化,或者声明成一个空指针,可以指向一个类型为T的对象
shared_ptr<T> sp;
unique_ptr<T> up;
//赋值,返回相对应类型的智能指针,指向一个动态分配的T类型对象,并且用args来初始化这个对象
make_shared<T>(args);
make_unique<T>(args);     //注意make_unique是C++14之后才有的
//用来做条件判断,如果其指向一个对象,则返回true否则返回false
p;
//解引用
*p;
//获得其保存的指针,一般不要用
p.get();
//交换指针
swap(p,q);
p.swap(q);
​
//release()用法
 //release()返回原来智能指针指向的指针,只负责转移控制权，不负责释放内存，常见的用法
 unique_ptr<int> q(p.release()) // 此时p失去了原来的的控制权交由q,同时p指向nullptr  
 //所以如果单独用:
 p.release()
 //则会导致p丢了控制权的同时,原来的内存得不到释放
 //则会导致//reset()用法
 p.reset()     // 释放p原来的对象,并将其置为nullptr，
 p = nullptr   // 等同于上面一步
 p.reset(q)    // 注意此处q为一个内置指针,令p释放原来的内存，p新指向这个对象

类满足可移动构造 (MoveConstructible) 和可移动赋值 (MoveAssignable) 的要求，但不满足可复制构造 (CopyConstructible) 或可复制赋值 (CopyAssignable) 的要求。 因此不可以使用 = 操作和拷贝构造函数，仅能使用移动操作。

Demo

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <cstdio>
#include <fstream>
#include <cassert>
#include <functional>
​
struct B {
  virtual void bar() { std::cout << "B::bar\n"; }
  virtual ~B() = default;
};
struct D : B
{
    D() { std::cout << "D::D\n";  }
    ~D() { std::cout << "D::~D\n";  }
    void bar() override { std::cout << "D::bar\n";  }
};
​
// 消费 unique_ptr 的函数能以值或以右值引用接收它
std::unique_ptr<D> pass_through(std::unique_ptr<D> p)
{
    p->bar();
    return p;
}
​
void close_file(std::FILE* fp) { std::fclose(fp); }
​
int main()
{
  std::cout << "unique ownership semantics demo\n";
  {
      auto p = std::make_unique<D>(); // p 是占有 D 的 unique_ptr
      auto q = pass_through(std::move(p));
      assert(!p); // 现在 p 不占有任何内容并保有空指针
      q->bar();   // 而 q 占有 D 对象
  } // ~D 调用于此
​
  std::cout << "Runtime polymorphism demo\n";
  {
    std::unique_ptr<B> p = std::make_unique<D>(); // p 是占有 D 的 unique_ptr
                                                  // 作为指向基类的指针
    p->bar(); // 虚派发
​
    std::vector<std::unique_ptr<B>> v;  // unique_ptr 能存储于容器
    v.push_back(std::make_unique<D>());
    v.push_back(std::move(p));
    v.emplace_back(new D);
    for(auto& p: v) p->bar(); // 虚派发
  } // ~D called 3 times
​
  std::cout << "Custom deleter demo\n";
  std::ofstream("demo.txt") << 'x'; // 准备要读的文件
  {
      std::unique_ptr<std::FILE, void (*)(std::FILE*) > fp(std::fopen("demo.txt", "r"),
                                                           close_file);
      if(fp) // fopen 可以打开失败；该情况下 fp 保有空指针
        std::cout << (char)std::fgetc(fp.get()) << '\n';
  } // fclose() 调用于此，但仅若 FILE* 不是空指针
    // （即 fopen 成功）
​
  std::cout << "Custom lambda-expression deleter demo\n";
  {
    std::unique_ptr<D, std::function<void(D*)>> p(new D, [](D* ptr)
        {
            std::cout << "destroying from a custom deleter...\n";
            delete ptr;
        });  // p 占有 D
    p->bar();
  } // 调用上述 lambda 并销毁 D
​
  std::cout << "Array form of unique_ptr demo\n";
  {
      std::unique_ptr<D[]> p{new D[3]};
  } // 调用 ~D 3 次
}

输出结果：

unique ownership semantics demo
D::D
D::bar
D::bar
D::~D
Runtime polymorphism demo
D::D
D::bar
D::D
D::D
D::bar
D::bar
D::bar
D::~D
D::~D
D::~D
Custom deleter demo
x
Custom lambda-expression deleter demo
D::D
D::bar
destroying from a custom deleter...
D::~D
Array form of unique_ptr demo
D::D
D::D
D::D
D::~D
D::~D
D::~D

shared_ptr

有两种方式创建 shared_ptr：使用make_shared宏来加速创建的过程。因为shared_ptr主动分配内存并且保存引用计数(reference count),make_shared 以一种更有效率的方法来实现创建工作。

void main( )
{
 shared_ptr<int> sptr1( new int );
 shared_ptr<int> sptr2 = make_shared<int>(100);
}

析构

shared_ptr默认调用delete释放关联的资源。如果用户采用一个不一样的析构策略时，他可以自由指定构造这个shared_ptr的策略。在此场景下，shared_ptr指向一组对象，但是当离开作用域时，默认的析构函数调用delete释放资源。实际上，我们应该调用delete[]来销毁这个数组。用户可以通过调用一个函数，例如一个lamda表达式，来指定一个通用的释放步骤。

void main( )
{
 shared_ptr<Test> sptr1( new Test[5],
        [ ](Test* p) { delete[ ] p; } );
}

注意 尽量不要用裸指针创建 shared_ptr，以免出现分组不同导致错误

void main( )
{
// 错误
 int* p = new int;
 shared_ptr<int> sptr1( p);   // count 1
 shared_ptr<int> sptr2( p );  // count 1
​
// 正确
 shared_ptr<int> sptr1( new int );  // count 1
 shared_ptr<int> sptr2 = sptr1;     // count 2
 shared_ptr<int> sptr3;           
 sptr3 =sptr1                       // count 3
}

循环引用

因为 Shared_ptr 是多个指向的指针，可能出现循环引用，导致超出了作用域后仍有内存未能释放。

class B;
class A
{
public:
 A(  ) : m_sptrB(nullptr) { };
 ~A( )
 {
  cout<<" A is destroyed"<<endl;
 }
 shared_ptr<B> m_sptrB;
};
class B
{
public:
 B(  ) : m_sptrA(nullptr) { };
 ~B( )
 {
  cout<<" B is destroyed"<<endl;
 }
 shared_ptr<A> m_sptrA;
};
//***********************************************************
void main( )
{
 shared_ptr<B> sptrB( new B );  // sptB count 1
 shared_ptr<A> sptrA( new A );  // sptB count 1
 sptrB->m_sptrA = sptrA;    // sptB count 2
 sptrA->m_sptrB = sptrB;    // sptA count 2
}
​
// 超出定义域
// sptA count 1
// sptB count 2

demo

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <mutex>
​
struct Base
{
    Base() { std::cout << "  Base::Base()\n"; }
    // 注意：此处非虚析构函数 OK
    ~Base() { std::cout << "  Base::~Base()\n"; }
};
​
struct Derived: public Base
{
    Derived() { std::cout << "  Derived::Derived()\n"; }
    ~Derived() { std::cout << "  Derived::~Derived()\n"; }
};
​
void thr(std::shared_ptr<Base> p)
{
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::shared_ptr<Base> lp = p; // 线程安全，虽然自增共享的 use_count
    {
        static std::mutex io_mutex;
        std::lock_guard<std::mutex> lk(io_mutex);
        std::cout << "local pointer in a thread:\n"
                  << "  lp.get() = " << lp.get()
                  << ", lp.use_count() = " << lp.use_count() << '\n';
    }
}
​
int main()
{
    std::shared_ptr<Base> p = std::make_shared<Derived>();
​
    std::cout << "Created a shared Derived (as a pointer to Base)\n"
              << "  p.get() = " << p.get()
              << ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';
    std::thread t1(thr, p), t2(thr, p), t3(thr, p);
    p.reset(); // 从 main 释放所有权
    std::cout << "Shared ownership between 3 threads and released\n"
              << "ownership from main:\n"
              << "  p.get() = " << p.get()
              << ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';
    t1.join(); t2.join(); t3.join();
    std::cout << "All threads completed, the last one deleted Derived\n";
}

可能的输出结果

Base::Base()
  Derived::Derived()
Created a shared Derived (as a pointer to Base)
  p.get() = 0xc99028, p.use_count() = 1
Shared ownership between 3 threads and released
ownership from main:
  p.get() = (nil), p.use_count() = 0
local pointer in a thread:
  lp.get() = 0xc99028, lp.use_count() = 3
local pointer in a thread:
  lp.get() = 0xc99028, lp.use_count() = 4
local pointer in a thread:
  lp.get() = 0xc99028, lp.use_count() = 2
  Derived::~Derived()
  Base::~Base()
All threads completed, the last one deleted Derived

weak_ptr

std::weak_ptr 是一种智能指针，它对被 std::shared_ptr 管理的对象存在非拥有性（“弱”）引用。在访问所引用的对象前必须先转换为 std::shared_ptr。

std::weak_ptr 用来表达临时所有权的概念：当某个对象只有存在时才需要被访问，而且随时可能被他人删除时，可以使用 std::weak_ptr 来跟踪该对象。需要获得临时所有权时，则将其转换为 std::shared_ptr，此时如果原来的 std::shared_ptr 被销毁，则该对象的生命期将被延长至这个临时的 std::shared_ptr 同样被销毁为止。

std::weak_ptr 的另一用法是打断 std::shared_ptr 所管理的对象组成的环状引用。若这种环被孤立（例如无指向环中的外部共享指针），则 shared_ptr 引用计数无法抵达零，而内存被泄露。能令环中的指针之一为弱指针以避免此情况。

创建

void main( )
{
 shared_ptr<Test> sptr( new Test );   // 强引用 1
 weak_ptr<Test> wptr( sptr );         // 强引用 1 弱引用 1
 weak_ptr<Test> wptr1 = wptr;         // 强引用 1 弱引用 2
}

将一个weak_ptr赋给另一个weak_ptr会增加弱引用计数(weak reference count)。 所以，当shared_ptr离开作用域时，其内的资源释放了，这时候指向该shared_ptr的weak_ptr发生了什么？weak_ptr过期了（expired）。如何判断weak_ptr是否指向有效资源，有两种方法：

• 调用use-count()去获取引用计数，该方法只返回强引用计数，并不返回弱引用计数。
• 调用expired()方法。比调用use_count()方法速度更快。

从weak_ptr调用lock()可以得到shared_ptr或者直接将weak_ptr转型为shared_ptr

解决 shared_ptr 循环引用问题

class B;
class A
{
public:
 A(  ) : m_a(5)  { };
 ~A( )
 {
  cout<<" A is destroyed"<<endl;
 }
 void PrintSpB( );
 weak_ptr<B> m_sptrB;
 int m_a;
};
class B
{
public:
 B(  ) : m_b(10) { };
 ~B( )
 {
  cout<<" B is destroyed"<<endl;
 }
 weak_ptr<A> m_sptrA;
 int m_b;
};
​
void A::PrintSpB( )
{
 if( !m_sptrB.expired() )
 {  
  cout<< m_sptrB.lock( )->m_b<<endl;
 }
}
​
void main( )
{
 shared_ptr<B> sptrB( new B );
 shared_ptr<A> sptrA( new A );
 sptrB->m_sptrA = sptrA;
 sptrA->m_sptrB = sptrB;
 sptrA->PrintSpB( );
}

STL 智能指针的陷阱/不够智能的地方

1. 尽量用make_shared/make_unique，少用new

std::shared_ptr在实现的时候使用的refcount技术，因此内部会有一个计数器（控制块，用来管理数据）和一个指针，指向数据。因此在执行 std::shared_ptr p2(new A) 的时候，首先会申请数据的内存，然后申请内控制块，因此是两次内存申请，而 std::make_shared()则是只执行一次内存申请，将数据和控制块的申请放到一起。

int* ptr = new int;
shared_ptr<int> p1(ptr);
shared_ptr<int> p2(ptr);
//p1,p2析构的时候都会释放ptr，同一内存被释放多次！

    int main()
{
    int* pi = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
    shared_ptr<int> sp(pi);
    return 0;
}

int main()
{
    shared_ptr<int> sp(new int(4));
    shared_ptr<int> pp(sp.get());
    return 0;
}

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