• C++基础语法——智能指针


    目录

    1.智能指针存在的意义

    2.内存泄漏

    ①什么是内存泄漏,内存泄漏的危害

    ②内存泄漏分类

    ③如何检测内存泄漏

    ④如何避免内存泄漏

    3.智能指针的使用及其模拟实现

    ①RAII

    ②智能指针的原理

    ③std::auto_ptr

    模拟实现

    ④std::unique_ptr

    模拟实现

    ⑤std::shared_ptr

    模拟实现

    ⑥std::weak_ptr

    模拟实现

    ⑦定制删除器

    4.C++11和boost中智能指针的关系


    1.智能指针存在的意义

    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

    1. int div()
    2. {
    3. int a, b;
    4. cin >> a >> b;
    5. if (b == 0)
    6. throw invalid_argument("除0错误");
    7. return a / b;
    8. }
    9. void f()
    10. {
    11. pair* p1 = new pair;
    12. div();
    13. delete p1;
    14. cout << "delete:" << p1 << endl;
    15. }
    16. int main()
    17. {
    18. try
    19. {
    20. f();
    21. }
    22. catch (const exception& e)
    23. {
    24. cout << e.what() << endl;
    25. }
    26. return 0;
    27. }

    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。

    2.内存泄漏

    ①什么是内存泄漏,内存泄漏的危害

    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

    1. void MemoryLeaks()
    2. {
    3. // 1.内存申请了忘记释放
    4. int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
    5. int* p2 = new int;
    6. // 2.异常安全问题
    7. int* p3 = new int[10];
    8. div(); // 这里div函数抛异常导致 delete[] p3未执行,p3没被释放.
    9. delete[] p3;
    10. }

    ②内存泄漏分类

    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。

    ③如何检测内存泄漏

    linux下内存泄漏检测: Linux下几款内存泄露检查工具(推荐)
    windows下使用第三方工具: VLD工具说明

    ④如何避免内存泄漏

    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。 

    3.智能指针的使用及其模拟实现

    ①RAII

    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

    1. // 使用RAII思想设计的SmartPtr类
    2. template<class T>
    3. class SmartPtr {
    4. public:
    5. SmartPtr(T* ptr = nullptr)
    6. : _ptr(ptr)
    7. {}
    8. ~SmartPtr()
    9. {
    10. if (_ptr)
    11. delete _ptr;
    12. }
    13. private:
    14. T* _ptr;
    15. };
    16. void Func()
    17. {
    18. SmartPtr<int> sp1(new int);
    19. SmartPtr<int> sp2(new int);
    20. cout << div() << endl;
    21. }
    22. int main()
    23. {
    24. try {
    25. Func();
    26. }
    27. catch (const exception& e)
    28. {
    29. cout << e.what() << endl;
    30. }
    31. return 0;
    32. }

    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。 

    ②智能指针的原理

    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

    1. template<class T>
    2. class SmartPtr {
    3. public:
    4. SmartPtr(T* ptr = nullptr)
    5. : _ptr(ptr)
    6. {}
    7. ~SmartPtr()
    8. {
    9. if (_ptr)
    10. delete _ptr;
    11. }
    12. T& operator*() { return *_ptr; }
    13. T* operator->() { return _ptr; }
    14. private:
    15. T* _ptr;
    16. };
    17. struct Date
    18. {
    19. Date()
    20. {}
    21. int _year = 0;
    22. int _month = 0;
    23. int _day = 0;
    24. };
    25. int main()
    26. {
    27. SmartPtr<int> sp1(new int);
    28. *sp1 = 10;
    29. cout << *sp1 << endl;
    30. SmartPtr sparray(new Date);
    31. // 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
    32. // 本来应该是sparray->->_year这里的语法为了可读性,省略了一个->
    33. sparray->_year = 2018;
    34. sparray->_month = 1;
    35. sparray->_day = 1;
    36. return 0;
    37. }

    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

    ③std::auto_ptr

    它的使用举例如下

    1. int main()
    2. {
    3. auto_ptr<int> sp1(new int);
    4. auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移
    5. // sp1悬空
    6. *sp2 = 10;
    7. cout << *sp2 << endl;
    8. cout << *sp1 << endl;
    9. return 0;
    10. }

    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,

    模拟实现

    我们模拟实现该指针的代码如下

    1. namespace my_ptr
    2. {
    3. template<class T>
    4. class auto_ptr
    5. {
    6. public:
    7. auto_ptr(T* ptr)
    8. :_ptr(ptr)
    9. {}
    10. // sp2(sp1)
    11. // 将sp1的资源转移给sp2,然后将自己置空
    12. auto_ptr(auto_ptr& ptr)
    13. :_ptr(ptr._ptr)
    14. {
    15. ptr._ptr = nullptr;
    16. }
    17. ~auto_ptr()
    18. {
    19. delete _ptr;
    20. }
    21. T& operator*()
    22. {
    23. return *_ptr;
    24. }
    25. T* operator->()
    26. {
    27. return _ptr;
    28. }
    29. private:
    30. T* _ptr = nullptr;
    31. };
    32. }

    ④std::unique_ptr

    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

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. A(int a = 0)
    5. :_a(a)
    6. {
    7. cout << "A(int a = 0)" << endl;
    8. }
    9. ~A()
    10. {
    11. cout << this;
    12. cout << " ~A()" << endl;
    13. }
    14. //private:
    15. int _a;
    16. };
    17. int main()
    18. {
    19. // C++11 简单粗暴,不让拷贝
    20. unique_ptr up1(new A(1));

    编译有 

    模拟实现

    其模拟实现如下

    1. namespace my_ptr
    2. {
    3. template<class T>
    4. class unique_ptr
    5. {
    6. public:
    7. unique_ptr(T* ptr)
    8. :_ptr(ptr)
    9. {}
    10. // C++11中可以直接使用delete
    11. unique_ptr(unique_ptr& ptr) = delete;
    12. unique_ptr& operator=(unique_ptr& ptr) = delete;
    13. ~unique_ptr()
    14. {
    15. delete _ptr;
    16. }
    17. T* operator*()
    18. {
    19. return _ptr;
    20. }
    21. T& operator->()
    22. {
    23. return *_ptr;
    24. }
    25. private:
    26. T* _ptr;
    27. };
    28. }

    ⑤std::shared_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

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. A(int a = 0)
    5. :_a(a)
    6. {
    7. cout << "A(int a = 0)" << endl;
    8. }
    9. ~A()
    10. {
    11. cout << this;
    12. cout << " ~A()" << endl;
    13. }
    14. //private:
    15. int _a;
    16. };
    17. int main()
    18. {
    19. // C++11
    20. shared_ptr sp1(new A(1));

    运行如下

    模拟实现

    其模拟实现的代码如下

    1. namespace my_ptr
    2. {
    3. template<class T>
    4. class shared_ptr
    5. {
    6. public:
    7. shared_ptr(T* ptr)
    8. :_ptr(ptr)
    9. , _pcount(new int(1))
    10. {}
    11. // 拷贝构造
    12. // s3(s2)
    13. // s5 = s2
    14. shared_ptr(shared_ptr& ptr)
    15. :_ptr(ptr._ptr)
    16. , _pcount(ptr._pcount)
    17. {
    18. ++(*_pcount);
    19. }
    20. // 赋值运算符重载
    21. // s6 = s2
    22. // s7 = s6
    23. // s6 = s7(让自己赋值给自己不增加计数)
    24. shared_ptr& operator=(shared_ptr& ptr)
    25. {
    26. if (ptr._ptr == _ptr)
    27. {
    28. return *this;
    29. }
    30. // 如果当前指向的计数为最后一个需要释放当前指针
    31. if (--(*_pcount) == 0)
    32. {
    33. delete _pcount;
    34. delete _ptr;
    35. }
    36. _ptr = ptr._ptr;
    37. _pcount = ptr._pcount;
    38. ++(*_pcount);
    39. return *this;
    40. }
    41. ~shared_ptr()
    42. {
    43. --(*_pcount);
    44. if (*_pcount == 0)
    45. {
    46. delete _ptr;
    47. delete _pcount;
    48. }
    49. }
    50. T* operator->()
    51. {
    52. return _ptr;
    53. }
    54. T& operator*()
    55. {
    56. return *_ptr;
    57. }
    58. // 提供两个接口获取指针与计数
    59. int GetCount() const
    60. {
    61. return *_pcount;
    62. }
    63. T* get() const
    64. {
    65. return _ptr;
    66. }
    67. private:
    68. T* _ptr;
    69. // 在这里使用指针,而非静态变量是多方面原因的考量,
    70. // 有多线程的问题,也有静态区变量的释放问题
    71. int* _pcount;
    72. };
    73. }

    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

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. A(int a = 0)
    5. :_a(a)
    6. {
    7. cout << "A(int a = 0)" << endl;
    8. }
    9. ~A()
    10. {
    11. cout << this;
    12. cout << " ~A()" << endl;
    13. }
    14. //private:
    15. int _a;
    16. };
    17. struct Node
    18. {
    19. Node()
    20. {}
    21. ~Node() { cout << "~Node()" << endl; }
    22. A _val;
    23. my_ptr::shared_ptr _next = nullptr;
    24. my_ptr::shared_ptr _prev = nullptr;
    25. };
    26. int main()
    27. {
    28. // 循环引用
    29. my_ptr::shared_ptr sp1(new Node);
    30. my_ptr::shared_ptr sp2(new Node);
    31. cout << sp1.GetCount() << endl;
    32. cout << sp2.GetCount() << endl;
    33. sp1->_next = sp2;
    34. sp2->_prev = sp1;
    35. cout << sp1.GetCount() << endl;
    36. cout << sp2.GetCount() << endl;
    37. return 0;
    38. }

    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

    ⑥std::weak_ptr

    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

    模拟实现

    其模拟实现如下

    1. namespace my_ptr
    2. {
    3. template<class T>
    4. class weak_ptr
    5. {
    6. public:
    7. weak_ptr(T* ptr)
    8. :_ptr(ptr._ptr)
    9. {}
    10. weak_ptr(shared_ptr& ptr)
    11. :_ptr(ptr.get())
    12. {}
    13. weak_ptr& operator=(shared_ptr& ptr)
    14. {
    15. _ptr = ptr.get();
    16. return *this;
    17. }
    18. T* operator->()
    19. {
    20. return _ptr;
    21. }
    22. T& operator*()
    23. {
    24. return *_ptr;
    25. }
    26. private:
    27. T* _ptr;
    28. };
    29. }

    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 

    ⑦定制删除器

    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

    1. namespace my_ptr
    2. {
    3. template<class T>
    4. class shared_ptr
    5. {
    6. public:
    7. shared_ptr(T* ptr)
    8. :_ptr(ptr)
    9. , _pcount(new int(1))
    10. {}
    11. template<class D>
    12. shared_ptr(T* ptr, D del)
    13. : _ptr(ptr)
    14. , _pcount(new int(1))
    15. , _del(del)
    16. {}
    17. // 拷贝构造
    18. // s3(s2)
    19. // s5 = s2
    20. shared_ptr(shared_ptr& ptr)
    21. :_ptr(ptr._ptr)
    22. , _pcount(ptr._pcount)
    23. {
    24. ++(*_pcount);
    25. }
    26. // 赋值运算符重载
    27. // s6 = s2
    28. // s7 = s6
    29. // s6 = s7(让自己赋值给自己不增加计数)
    30. shared_ptr& operator=(shared_ptr& ptr)
    31. {
    32. if (ptr._ptr == _ptr)
    33. {
    34. return *this;
    35. }
    36. // 如果当前指向的计数为最后一个需要释放当前指针
    37. if (--(*_pcount) == 0)
    38. {
    39. delete _pcount;
    40. delete _ptr;
    41. }
    42. _ptr = ptr._ptr;
    43. _pcount = ptr._pcount;
    44. ++(*_pcount);
    45. return *this;
    46. }
    47. ~shared_ptr()
    48. {
    49. --(*_pcount);
    50. if (*_pcount == 0)
    51. {
    52. _del(_ptr);
    53. delete _pcount;
    54. }
    55. }
    56. T* operator->()
    57. {
    58. return _ptr;
    59. }
    60. T& operator*()
    61. {
    62. return *_ptr;
    63. }
    64. // 提供两个接口获取指针与数量
    65. int GetCount() const
    66. {
    67. return *_pcount;
    68. }
    69. T* get() const
    70. {
    71. return _ptr;
    72. }
    73. private:
    74. T* _ptr;
    75. int* _pcount;
    76. function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
    77. };
    78. }

    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

    1. class A
    2. {
    3. public:
    4. A(int a = 0)
    5. :_a(a)
    6. {
    7. cout << "A(int a = 0)" << endl;
    8. }
    9. ~A()
    10. {
    11. cout << this;
    12. cout << " ~A()" << endl;
    13. }
    14. //private:
    15. int _a;
    16. };
    17. template<class T>
    18. struct DeleteArray
    19. {
    20. void operator()(T* ptr)
    21. {
    22. delete[] ptr;
    23. }
    24. };
    25. // 定制删除器
    26. int main()
    27. {

    4.C++11和boost中智能指针的关系

    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。

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/qq_73201597/article/details/134019625