3.7 C++高级编程_自己实现智能指针

指针未释放引起的内存泄漏

先定义一个Person类，在Person类中定义一个构造函数，一个析构函数，一个普通的成员函数。

Person类

class Person {
public:
    Person()
    {
        cout << "Person()" << endl;
    }
 
    ~Person()
    {
        cout << "~Person()" << endl;
    }
 
    void printInfo(void)
    {
        cout << "printInfo()" << endl;
    }
};

然后编写一个测试函数test_func，从内存中申请了一块Person类大小的空间。

test_func函数

void test_func(void)
{
    Person *p = new Person();
 
    p->printInfo();
}

最后，在main函数中调用test_func函数。

main函数

int main(int argc, char **argv)
{
    test_func();
 
    return 0;
}

最终，函数源码如下：

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
 
using namespace std;
 
class Person {
public:
    Person()
    {
        cout << "Person()" << endl;
    }
 
    ~Person()
    {
        cout << "~Person()" << endl;
    }
 
    void printInfo(void)
    {
        cout << "printInfo()" << endl;
    }
};
 
void test_func(void)
{
    Person *p = new Person();
 
    p->printInfo();
}
 
int main(int argc, char **argv)
{
    test_func();
 
    return 0;
}

这个代码有什么问题呢？

我们编译执行一下，可以看到Person类的构造函数被调用了，但是在程序运行完毕退出后，Person类的析构函数没有调用。

也就是说，在程序运行退出后，没有将之前申请的内存释放掉，这时候，就发生了内存泄漏。

增加内存释放

要想防止这个问题，可以这样做：

1、在函数退出时增加delete操作。

 

2、或者使用局部变量也可以防止这个问题。

今天讲第 3 种方法，那就是使用智能指针。

智能指针

定义一个sp类，在sp类中，有一个私有成员p，它是一个指向Person类的指针。

然后定义两个构造函数，一个构造函数的传参为一个指向Person类的指针，另一个构造函数的传参为空，主要是在没有申请Person类空间的时候将私有成员指空。

定义一个析构函数，在析构函数中，如果指针p不为空，则表示有申请过内存空间，此时需要将空间释放。

class sp {
private:
    Person* p;
 
public:
    sp () : p(0)
    {
        cout << "sp () : p(0)" << endl;
    }
 
    sp (Person *other)
    {
        cout << "sp (Person *other)" << endl;
        this->p = other;
    }
 
    ~sp ()
    {
        cout << "~sp ()" << endl;
        if (p) {
            cout << "delete this->p" << endl;
            delete this->p;
        }
    }
};

修改test_func函数，在函数中创建了一个sp类的对象s。

void test_func(void)
{
    sp s = new Person;
}

此时，会调用构造函数 sp (Person *other)。

编译测试，可以看到虽然没有delete，但是申请的内存空间在函数调用结束后，还是会自动释放。

这是因为创建的对象p实际上是一个局部变量，局部变量的生命周期随函数调用结束而终止。

重定向->

此时，如果想要使用Person类里面的成员要怎么做？

显然直接使用“->”是不行的，因为 s 实际上还是一个sp类型的对象。

此时需要重定向“->”，在sp类的定义中添加下面的重定向函数，返回sp类中指向Person类的指针成员。

Person* operator->(void)
{
    return this->p;
}

修改test_func函数，增加调用Person类的成员函数printInfo。

编译测试，可以看到成员函数printInfo被成功调用。

增加传参为sp类本身的构造函数

继续修改代码，增加一个拷贝构造函数，传参为sp类本身。

修改测试函数，传入一个sp类对象，使用传入的对象，初始化函数内部定义的局部变量。

修改main函数，创建一个sp类对象，并且把创建的对象作为参数传给test_func函数。

编译测试，发现第71行有报错。

报错信息说：不可以把sp转换为sp引用。

先分析一下第71行，实际上，编译第71行的代码时，编译器实际上是通过三行代码实现的：

sp other = new Person();
相当于：
Person *p = new Person();
sp tmp(p); ==> 对应的构造函数：sp (Person *other)
sp other(tmp); ==> 对应的构造函数：sp(sp &other)

问题出在第三行：sp &other = tmp; 这是错误的语法，不能引用临时变量。

修改为：const sp &other = tmp; 正确的语法。

修改构造函数，增加const属性。

此时可以编译成功，但是执行时有报错。

这里其实有一个疑惑。

我的理解是sp other = new Person(); 这行代码其实传入的就是一个指向Person类的指针，调用的应该就是sp (Person *other)，没有用到sp (const sp &other)才对；

用到sp (const sp &other)函数的，应该是 sp s = other;

从执行来看也是sp other = new Person(); 也是没有调用到 sp (const sp &other) 的，但是编译器确实在71行报了类型错误，费解...

显然，报错的原因是申请的空间被释放了两次：

1. test_func函数，退出函数，清除临时变量时调用了一次；
2. 程序执行完毕退出时，又调用了一次；

 

当空间已经释放后，不应该再对这个空间进行二次释放。

修改代码，在Person类中增加一个私有成员count，用来记录sp类的使用次数，当这个次数不为0时，就表示没有其他程序使用该对象，此时可以将申请的空间释放掉。

 在Person类的构造函数中将计数值初始化为0。

 

在sp类的构造函数中对计数值加1。

 

在析构函数中对计数值减1，当减为0时，表示没有其他程序要操作这个类，此时才调用delete释放空间。

 

编译测试，程序可以正常执行。

重定向*

使用智能指针的目的是：少用"Person *"; 用"sp"来代替"Person *"。

防止出现内存未释放引起的内存泄漏。

Person *per，有2种操作：per->xxx, (*per).xxx；

那么，sp也应该有这两种操作：sp->xxx, (*sp).xxx；

其中，sp->xxx之前已经实现了，现在来增加 (*sp).xxx。

修改sp类，增加一个成员函数 Person& operator*(void)，重定向*。

修改main函数，测试一下。

程序可以正常执行。

增加基类

前面为了解决空间重复释放的问题，我们在Person类中加了一个count变量，还有与这个变量相关的一系列操作函数。

这部分的内容，如果定义了一个Cat类，Dog类时，也有可能会使用。

那么，可以把这部分内容单独拿出来，单独定义一个基类，后续如果有其他类需要使用计数的功能时，就可以直接继承这个基类。

修改代码，增加一个基类RefBase。

需要注意的是，要将之前在Person类的构造函数初始化count值，改为在RefBase类的构造函数初始化count值。

Person类继承基类RefBase即可。

编译测试，程序执行成功。

使用模板

对于当前的代码，可以使用sp代替Person *p，但是如果有Cat类，或者Dog类，要使用sp代替Cat *c，Dog *d，还需要重新定义sp类。

但是，如果将sp类定义为一个模板，则可以免去重新定义的繁琐操作。

将sp类修改为模板，将之前sp类中的Person全部换成T。

template <typename T>
class sp {
private:
    T* p;
public:
    sp () : p(0)
    {
        cout << "sp () : p(0)" << endl;
    }
 
    sp (T *other)
    {
        cout << "sp (T *other)" << endl;
        this->p = other;
        p->incStrong();
    }
 
    sp (const sp &other)
    {
        cout << "sp (const sp &other)" << endl;
        this->p = other.p;
        p->incStrong();
    }
 
    ~sp ()
    {
        cout << "~sp ()" << endl;
        if (p) {
            cout << "delete this->p" << endl;
            p->decStrong();
            if (0 == p->getStrongCount()) {
                delete this->p;
                this->p = NULL;
            }
        }
    }
 
    T* operator->(void)
    {
        return this->p;
    }
 
    T& operator*(void)
    {
        return *p;
    }
};

测试函数也修改为模板函数。

template <typename T>
void test_func(sp<T> &other)
{
    sp<T> s = other;
 
    s->printInfo();
}

main函数中，创建sp对象时，将T声明为Person。

编译测试，执行成功。

这样，以后如果需要使用Person *时，就可以使用sp来代替。

此时，new出来了一个对象，但是不需要去delete它，由系统来自动delete这个对象。