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在之前我们使用new之后只要记住使用delete将其释放,基本上不会出什么大问题,但是在异常出现之后,由于遇到异常时会直接将其抛出,这样可能就会导致这段程序无法运行到delete指令,从而导致内存泄漏,举个例子
- int div()
- {
- int a, b;
- cin >> a >> b;
- if (b == 0)
- throw invalid_argument("除0错误");
-
- return a / b;
- }
-
- void f()
- {
- pair
* p1 = new pair; -
- div();
-
- delete p1;
- cout << "delete:" << p1 << endl;
- }
-
- int main()
- {
- try
- {
- f();
- }
- catch (const exception& e)
- {
- cout << e.what() << endl;
- }
-
- return 0;
- }
在上面的代码中如果运行到div()函数时输入的b为0时,会直接抛异常这样就会直接跳到主函数中的catch处,从而导致p1没有得到释放,直接导致内存泄漏,有人可能会想在f函数中再套一层try即可,但是当在堆上申请的变量过多时,这样的写法会略显冗余,此时就需要智能指针了。
内存泄漏是什么?
内存泄漏:指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失,而是应用程序分配某段内存后,因为设计错误,失去了对该段内存的控制,因而造成了内存的浪费。
那么内存泄漏会有什么样的危害?
长期运行的程序出现内存泄漏,影响很大,如操作系统、后台服务等等,出现内存泄漏会导致响应越来越慢,最终卡死。这里一般有两种情况,如
- void MemoryLeaks()
- {
- // 1.内存申请了忘记释放
- int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
- int* p2 = new int;
-
- // 2.异常安全问题
- int* p3 = new int[10];
-
- div(); // 这里div函数抛异常导致 delete[] p3未执行,p3没被释放.
-
- delete[] p3;
- }
在C/C++程序中我们一般关心两种方面的内存泄漏
堆内存泄漏(Heap leak)
堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存,用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放,那么以后这部分空间将无法再被使用,就会产生Heap Leak。
系统资源泄漏
指程序使用系统分配的资源,比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉,导致系统资源的浪费,严重可导致系统效能减少,系统执行不稳定。
其他工具: 内存泄露检测工具比较
1. 工程前期良好的设计规范,养成良好的编码规范,申请的内存空间记着匹配的去释放。ps:这个理想状态。但是如果碰上异常时,就算注意释放了,还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能项。
4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps:不过很多工具都不够靠谱,或者收费昂贵。
总结一下:
内存泄漏非常常见,解决方案分为两种:1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
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:
1. 不需要显式地释放资源。
2. 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。
因此我们可以基于这种思想设计一个smart_ptr类
- // 使用RAII思想设计的SmartPtr类
- template<class T>
- class SmartPtr {
- public:
- SmartPtr(T* ptr = nullptr)
- : _ptr(ptr)
- {}
-
- ~SmartPtr()
- {
- if (_ptr)
- delete _ptr;
- }
-
- private:
- T* _ptr;
- };
-
- void Func()
- {
- SmartPtr<int> sp1(new int);
- SmartPtr<int> sp2(new int);
- cout << div() << endl;
- }
-
- int main()
- {
- try {
- Func();
- }
- catch (const exception& e)
- {
- cout << e.what() << endl;
- }
-
- return 0;
- }
这样就做到了就算div函数抛异常,在作用域周期结束时,智能指针会自动调用析构函数,从而自动释放内存。
但是上面写的SmartPtr还不能将其称为智能指针,因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用,也可以通过->去访问所指空间中的内容,因此:AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下,才可让其像指针一样去使用。我们对其稍作修改,有
- template<class T>
- class SmartPtr {
- public:
- SmartPtr(T* ptr = nullptr)
- : _ptr(ptr)
- {}
-
- ~SmartPtr()
- {
- if (_ptr)
- delete _ptr;
- }
-
- T& operator*() { return *_ptr; }
-
- T* operator->() { return _ptr; }
-
- private:
- T* _ptr;
- };
-
- struct Date
- {
- Date()
- {}
- int _year = 0;
- int _month = 0;
- int _day = 0;
- };
-
- int main()
- {
- SmartPtr<int> sp1(new int);
- *sp1 = 10;
- cout << *sp1 << endl;
-
- SmartPtr
sparray(new Date) ; - // 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
- // 本来应该是sparray->->_year这里的语法为了可读性,省略了一个->
- sparray->_year = 2018;
- sparray->_month = 1;
- sparray->_day = 1;
-
- return 0;
- }
总结一下智能指针的原理:
1. RAII特性
2. 重载operator*和opertaor->,具有像指针一样的行为。
但是智能指针到这就结束了吗? 其实并不是,如果想将一个智能指针赋值给另一个又该怎么办呢?在这里C/C++提供了四种智能指针来解决这个问题分别是auto_ptr, unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr
它的使用举例如下
- int main()
- {
- auto_ptr<int> sp1(new int);
- auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移
-
- // sp1悬空
- *sp2 = 10;
- cout << *sp2 << endl;
- cout << *sp1 << endl;
- return 0;
- }
在运行时我们可以发现


在进行构造操作后,我们可以看到sp1就被置空了,因此我们可以知道auto_ptr的实现实际是将原有的资源管理权转移给新的对象,这无疑是一个失败的设计,在许多的公司中都有明确要求禁止使用auto_ptr,
我们模拟实现该指针的代码如下
- namespace my_ptr
- {
- template<class T>
- class auto_ptr
- {
- public:
- auto_ptr(T* ptr)
- :_ptr(ptr)
- {}
-
- // sp2(sp1)
- // 将sp1的资源转移给sp2,然后将自己置空
- auto_ptr(auto_ptr
& ptr) - :_ptr(ptr._ptr)
- {
- ptr._ptr = nullptr;
- }
-
- ~auto_ptr()
- {
- delete _ptr;
- }
-
- T& operator*()
- {
- return *_ptr;
- }
-
- T* operator->()
- {
- return _ptr;
- }
-
- private:
- T* _ptr = nullptr;
- };
-
- }
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr,它不允许被拷贝
其使用举例如下
- class A
- {
- public:
- A(int a = 0)
- :_a(a)
- {
- cout << "A(int a = 0)" << endl;
- }
-
- ~A()
- {
- cout << this;
- cout << " ~A()" << endl;
- }
- //private:
-
- int _a;
- };
-
- int main()
- {
- // C++11 简单粗暴,不让拷贝
- unique_ptr up1(new A(1));
- unique_ptr up2(new A(2));
-
- unique_ptr up3(up1);
- up1 = up2;
-
- return 0;
- }
编译有

其模拟实现如下
- namespace my_ptr
- {
- template<class T>
- class unique_ptr
- {
- public:
- unique_ptr(T* ptr)
- :_ptr(ptr)
- {}
-
- // C++11中可以直接使用delete
- unique_ptr(unique_ptr
& ptr) = delete; - unique_ptr
& operator=(unique_ptr& ptr) = delete; -
- ~unique_ptr()
- {
- delete _ptr;
- }
-
- T* operator*()
- {
- return _ptr;
- }
-
- T& operator->()
- {
- return *_ptr;
- }
-
- private:
- T* _ptr;
- };
-
- }
此外,C++11中也提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr,那么它的支持拷贝的原理是怎样的呢?
shared_ptr的原理:是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。如:在读书的时候,每天晚上在放学之后,最后走的学生会把灯关上。
1. shared_ptr在其内部,给每个资源都维护了着一份计数,用来记录该份资源被几个对象共享。
2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用),就说明自己不使用该资源了,对象的引用计数减一。
3. 如果引用计数是0,就说明自己是最后一个使用该资源的对象,必须释放该资源;
4. 如果不是0,就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源,不能释放该资源,否则其他对象就成野指针了。
我们可以使用如下的代码来验证
- class A
- {
- public:
- A(int a = 0)
- :_a(a)
- {
- cout << "A(int a = 0)" << endl;
- }
-
- ~A()
- {
- cout << this;
- cout << " ~A()" << endl;
- }
- //private:
-
- int _a;
- };
-
- int main()
- {
- // C++11
- shared_ptr sp1(new A(1));
- shared_ptr sp2(new A(2));
-
- shared_ptr sp3(sp1);
- sp1->_a++;
- sp3->_a++;
-
- cout << sp1->_a << endl;
-
- shared_ptr sp4(sp2);
- shared_ptr sp5(sp4);
-
- sp1 = sp5;
- sp3 = sp5;
-
- shared_ptr sp6(new A(6));
- sp6 = sp6;
- sp4 = sp5;
-
- cout << sp6->_a << endl;
-
- return 0;
- }
运行如下

其模拟实现的代码如下
- namespace my_ptr
- {
- template<class T>
- class shared_ptr
- {
- public:
- shared_ptr(T* ptr)
- :_ptr(ptr)
- , _pcount(new int(1))
- {}
-
- // 拷贝构造
- // s3(s2)
- // s5 = s2
- shared_ptr(shared_ptr
& ptr) - :_ptr(ptr._ptr)
- , _pcount(ptr._pcount)
- {
- ++(*_pcount);
- }
-
- // 赋值运算符重载
- // s6 = s2
- // s7 = s6
- // s6 = s7(让自己赋值给自己不增加计数)
- shared_ptr
& operator=(shared_ptr& ptr) - {
- if (ptr._ptr == _ptr)
- {
- return *this;
- }
-
- // 如果当前指向的计数为最后一个需要释放当前指针
- if (--(*_pcount) == 0)
- {
- delete _pcount;
- delete _ptr;
- }
-
- _ptr = ptr._ptr;
- _pcount = ptr._pcount;
- ++(*_pcount);
-
- return *this;
- }
-
- ~shared_ptr()
- {
- --(*_pcount);
- if (*_pcount == 0)
- {
- delete _ptr;
- delete _pcount;
- }
- }
-
- T* operator->()
- {
- return _ptr;
- }
-
- T& operator*()
- {
- return *_ptr;
- }
-
- // 提供两个接口获取指针与计数
- int GetCount() const
- {
- return *_pcount;
- }
-
- T* get() const
- {
- return _ptr;
- }
-
- private:
- T* _ptr;
- // 在这里使用指针,而非静态变量是多方面原因的考量,
- // 有多线程的问题,也有静态区变量的释放问题
- int* _pcount;
- };
-
- }
有了shared_ptr之后,我们可以解决绝大多数的指针问题,但是它在某些方面还是有一些缺陷,在下面这个场景中
- class A
- {
- public:
- A(int a = 0)
- :_a(a)
- {
- cout << "A(int a = 0)" << endl;
- }
-
- ~A()
- {
- cout << this;
- cout << " ~A()" << endl;
- }
- //private:
-
- int _a;
- };
-
- struct Node
- {
- Node()
- {}
-
- ~Node() { cout << "~Node()" << endl; }
-
- A _val;
-
- my_ptr::shared_ptr
_next = nullptr; - my_ptr::shared_ptr
_prev = nullptr; - };
-
- int main()
- {
- // 循环引用
- my_ptr::shared_ptr
sp1(new Node) ; - my_ptr::shared_ptr
sp2(new Node) ; -
- cout << sp1.GetCount() << endl;
- cout << sp2.GetCount() << endl;
-
- sp1->_next = sp2;
- sp2->_prev = sp1;
-
- cout << sp1.GetCount() << endl;
- cout << sp2.GetCount() << endl;
-
- return 0;
- }
在运行后,我们可以发现

在程序结束后,sp1与sp2均还存在且它们的计数均为1,对于这种情况我们称之为循环引用,接下来让我们来具体分析一下它
1. sp1和sp2两个智能指针对象指向两个节点,引用计数变成1,我们不需要手动delete。
2. sp1的_next指向sp2,sp2的_prev指向sp1,引用计数变成2。
3. sp1和sp2析构,引用计数减到1,但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
4. 也就是说_next析构了,sp2就释放了。
5. 也就是说_prev析构了,sp1就释放了。
6. 但是_next属于sp的成员,sp1释放了,_next才会析构,而sp1由_prev管理,_prev属于sp2成员,所以这就叫循环引用,谁也不会释放。
图示如下

那要如何解决这个问题呢?此时就需要weak_ptr了
要解决上面的问题我们只需要将Node中_prev和_next替换为weak_ptr即可,可以认为weak_ptr不是RAII智能指针,专门用来解决shared_ptr循环引用问题。因此weak_ptr是无法进行资源管理的
其模拟实现如下
- namespace my_ptr
- {
- template<class T>
- class weak_ptr
- {
- public:
- weak_ptr(T* ptr)
- :_ptr(ptr._ptr)
- {}
-
- weak_ptr(shared_ptr
& ptr) - :_ptr(ptr.get())
- {}
-
- weak_ptr
& operator=(shared_ptr& ptr) - {
- _ptr = ptr.get();
- return *this;
- }
-
- T* operator->()
- {
- return _ptr;
- }
-
- T& operator*()
- {
- return *_ptr;
- }
-
- private:
- T* _ptr;
- };
- }
在使用weak_ptr代替shared_ptr之后再次运行我们可以发现

这样就解决了循环引用的问题
如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢?其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题

我们对shared_ptr改造有
- namespace my_ptr
- {
- template<class T>
- class shared_ptr
- {
- public:
- shared_ptr(T* ptr)
- :_ptr(ptr)
- , _pcount(new int(1))
- {}
-
- template<class D>
- shared_ptr(T* ptr, D del)
- : _ptr(ptr)
- , _pcount(new int(1))
- , _del(del)
- {}
-
- // 拷贝构造
- // s3(s2)
- // s5 = s2
- shared_ptr(shared_ptr
& ptr) - :_ptr(ptr._ptr)
- , _pcount(ptr._pcount)
- {
- ++(*_pcount);
- }
-
- // 赋值运算符重载
- // s6 = s2
- // s7 = s6
- // s6 = s7(让自己赋值给自己不增加计数)
- shared_ptr
& operator=(shared_ptr& ptr) - {
- if (ptr._ptr == _ptr)
- {
- return *this;
- }
-
- // 如果当前指向的计数为最后一个需要释放当前指针
- if (--(*_pcount) == 0)
- {
- delete _pcount;
- delete _ptr;
- }
-
- _ptr = ptr._ptr;
- _pcount = ptr._pcount;
- ++(*_pcount);
-
- return *this;
- }
-
- ~shared_ptr()
- {
- --(*_pcount);
- if (*_pcount == 0)
- {
- _del(_ptr);
- delete _pcount;
- }
- }
-
- T* operator->()
- {
- return _ptr;
- }
-
- T& operator*()
- {
- return *_ptr;
- }
-
- // 提供两个接口获取指针与数量
- int GetCount() const
- {
- return *_pcount;
- }
-
- T* get() const
- {
- return _ptr;
- }
-
- private:
- T* _ptr;
- int* _pcount;
-
- function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
- };
-
- }
此后,需要删除时,我们只需要自己给出对应的删除方式即可,如
- class A
- {
- public:
- A(int a = 0)
- :_a(a)
- {
- cout << "A(int a = 0)" << endl;
- }
-
- ~A()
- {
- cout << this;
- cout << " ~A()" << endl;
- }
- //private:
-
- int _a;
- };
-
- template<class T>
- struct DeleteArray
- {
- void operator()(T* ptr)
- {
- delete[] ptr;
- }
- };
-
- // 定制删除器
- int main()
- {
- my_ptr::shared_ptr sp1(new A[10], DeleteArray());
- my_ptr::shared_ptr sp2((A*)malloc(sizeof(A)), [](A* ptr) {free(ptr); });
- my_ptr::shared_ptr
sp3(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) { - cout << "fclose:" << ptr << endl;
- fclose(ptr);
- });
-
- my_ptr::shared_ptr sp1(new A);
-
- return 0;
- }
1. C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
2. C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
3. C++ TR1,引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
4. C++ 11,引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。