C++11中智能指针的原理、使用、实现

水深无声 2022-03-01 13:50 193阅读 0赞

## 目录 ##

*   *  理解智能指针的原理
     *  智能指针的使用
     *  智能指针的设计和实现

## 1.智能指针的作用 ##

C++程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。

理解智能指针需要从下面三个层次：

1.  从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
2.  智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
3.  智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：

Animal a = new Animal();

Animal b = a;

你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，

Animal a;

Animal b = a;

这里却是就是生成了两个对象。

关于值语言参考这篇文章[http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html][http_www.cnblogs.com_Solstice_archive_2011_08_16_2141515.html]

## 2.智能指针的使用 ##

智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，shared\_ptr、unique\_ptr、weak\_ptr

### 2.1 shared\_ptr的使用 ###

shared\_ptr多个指针指向相同的对象。shared\_ptr使用引用计数，每一个shared\_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared\_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。

*  初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make\_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared\_ptr<int> p4 = new int(1);的写法是错误的
 *  拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。
 *  get函数获取原始指针
 *  注意不要用一个原始指针初始化多个shared\_ptr，否则会造成二次释放同一内存
 *  注意避免循环引用，shared\_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak\_ptr中介绍。

#include <iostream>
    #include <memory>
    
    int main() {
        {
            int a = 10;
            std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a);
            std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //copy
            std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
    
            int b = 20;
            int *pb = &a;
            //std::shared_ptr<int> ptrb = pb;  //error
            std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);
            ptra2 = ptrb; //assign
            pb = ptrb.get(); //获取原始指针
    
            std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
            std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
        }
    }

### 2.2 unique\_ptr的使用 ###

unique\_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique\_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。相比与原始指针unique\_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。unique\_ptr指针本身的生命周期：从unique\_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。unique\_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。

#include <iostream>
    #include <memory>
    
    int main() {
        {
            std::unique_ptr<int> uptr(new int(10));  //绑定动态对象
            //std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr;  //不能賦值
            //std::unique_ptr<int> uptr2(uptr);  //不能拷貝
            std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權
            uptr2.release(); //释放所有权
        }
        //超過uptr的作用域，內存釋放
    }

### 2.3 weak\_ptr的使用 ###

weak\_ptr是为了配合shared\_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator\*和->,它的最大作用在于协助shared\_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。weak\_ptr可以从一个shared\_ptr或者另一个weak\_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak\_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak\_ptr的成员函数use\_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use\_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared\_ptr的管理的资源)已经不复存在。weak\_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared\_ptr获得一个可用的shared\_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared\_ptr。

#include <iostream>
    #include <memory>
    
    int main() {
        {
            std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
            std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;
    
            std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
            std::cout << wp.use_count() << std::endl;
    
            if(!wp.expired()){
                std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr
                *sh_ptr = 100;
                std::cout << wp.use_count() << std::endl;
            }
        }
        //delete memory
    }

### 2.4 循环引用 ###

考虑一个简单的对象建模——家长与子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。在Java 里边很好写，不用担心内存泄漏，也不用担心空悬指针，只要正确初始化myChild 和myParent，那么Java 程序员就不用担心出现访问错误。一个handle 是否有效，只需要判断其是否non null。

public class Parent
    {
    　　private Child myChild;
    }
    public class Child
    {
    　　private Parent myParent;
    }

在C++ 里边就要为资源管理费一番脑筋。如果使用原始指针作为成员，Child和Parent由谁释放？那么如何保证指针的有效性？如何防止出现空悬指针？这些问题是C++面向对象编程麻烦的问题，现在可以借助smart pointer把对象语义（pointer）转变为值（value）语义，shared\_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。但是这个模型存在循环引用的问题，注意其中一个指针应该为weak\_ptr。

原始指针的做法，容易出错

#include <iostream>
    #include <memory>
    
    class Child;
    class Parent;
    
    class Parent {
    private:
        Child* myChild;
    public:
        void setChild(Child* ch) {
            this->myChild = ch;
        }
    
        void doSomething() {
            if (this->myChild) {
    
            }
        }
    
        ~Parent() {
            delete myChild;
        }
    };
    
    class Child {
    private:
        Parent* myParent;
    public:
        void setPartent(Parent* p) {
            this->myParent = p;
        }
        void doSomething() {
            if (this->myParent) {
    
            }
        }
        ~Child() {
            delete myParent;
        }
    };
    
    int main() {
        {
            Parent* p = new Parent;
            Child* c =  new Child;
            p->setChild(c);
            c->setPartent(p);
            delete c;  //only delete one
        }
        return 0;
    }

循环引用内存泄露的问题

#include <iostream>
    #include <memory>
    
    class Child;
    class Parent;
    
    class Parent {
    private:
        std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
    public:
        void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
            this->ChildPtr = child;
        }
    
        void doSomething() {
            if (this->ChildPtr.use_count()) {
    
            }
        }
    
        ~Parent() {
        }
    };
    
    class Child {
    private:
        std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
    public:
        void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
            this->ParentPtr = parent;
        }
        void doSomething() {
            if (this->ParentPtr.use_count()) {
    
            }
        }
        ~Child() {
        }
    };
    
    int main() {
        std::weak_ptr<Parent> wpp;
        std::weak_ptr<Child> wpc;
        {
            std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
            std::shared_ptr<Child> c(new Child);
            p->setChild(c);
            c->setPartent(p);
            wpp = p;
            wpc = c;
            std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
            std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2
        }
        std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 1
        std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 1
        return 0;
    }

正确的做法

#include <iostream>
    #include <memory>
    
    class Child;
    class Parent;
    
    class Parent {
    private:
        //std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
        std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
    public:
        void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
            this->ChildPtr = child;
        }
    
        void doSomething() {
            //new shared_ptr
            if (this->ChildPtr.lock()) {
    
            }
        }
    
        ~Parent() {
        }
    };
    
    class Child {
    private:
        std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
    public:
        void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
            this->ParentPtr = parent;
        }
        void doSomething() {
            if (this->ParentPtr.use_count()) {
    
            }
        }
        ~Child() {
        }
    };
    
    int main() {
        std::weak_ptr<Parent> wpp;
        std::weak_ptr<Child> wpc;
        {
            std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
            std::shared_ptr<Child> c(new Child);
            p->setChild(c);
            c->setPartent(p);
            wpp = p;
            wpc = c;
            std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
            std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
        }
        std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 0
        std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 0
        return 0;
    }

## 3.智能指针的设计和实现 ##

下面是一个简单智能指针的demo。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 \* 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。

#include <iostream>
    #include <memory>
    
    template<typename T>
    class SmartPointer {
    private:
        T* _ptr;
        size_t* _count;
    public:
        SmartPointer(T* ptr = nullptr) :
                _ptr(ptr) {
            if (_ptr) {
                _count = new size_t(1);
            } else {
                _count = new size_t(0);
            }
        }
    
        SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {
            if (this != &ptr) {
                this->_ptr = ptr._ptr;
                this->_count = ptr._count;
                (*this->_count)++;
            }
        }
    
        SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
            if (this->_ptr == ptr._ptr) {
                return *this;
            }
    
            if (this->_ptr) {
                (*this->_count)--;
                if (this->_count == 0) {
                    delete this->_ptr;
                    delete this->_count;
                }
            }
    
            this->_ptr = ptr._ptr;
            this->_count = ptr._count;
            (*this->_count)++;
            return *this;
        }
    
        T& operator*() {
            assert(this->_ptr == nullptr);
            return *(this->_ptr);
    
        }
    
        T* operator->() {
            assert(this->_ptr == nullptr);
            return this->_ptr;
        }
    
        ~SmartPointer() {
            (*this->_count)--;
            if (*this->_count == 0) {
                delete this->_ptr;
                delete this->_count;
            }
        }
    
        size_t use_count(){
            return *this->_count;
        }
    };
    
    int main() {
        {
            SmartPointer<int> sp(new int(10));
            SmartPointer<int> sp2(sp);
            SmartPointer<int> sp3(new int(20));
            sp2 = sp3;
            std::cout << sp.use_count() << std::endl;
            std::cout << sp3.use_count() << std::endl;
        }
        //delete operator
    }

参考：

1.  值语义：http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
2.  shared\_ptr使用：http://www.cnblogs.com/jiayayao/archive/2016/12/03/6128877.html
3.  unique\_ptr使用：http://blog.csdn.net/pi9nc/article/details/12227887
4.  weak\_ptr的使用：http://blog.csdn.net/mmzsyx/article/details/8090849
5.  weak\_ptr解决循环引用的问题：http://blog.csdn.net/shanno/article/details/7363480
6.  [C++面试题（四）——智能指针的原理和实现][C]

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[http_www.cnblogs.com_Solstice_archive_2011_08_16_2141515.html]: http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
[C]: http://blog.csdn.net/worldwindjp/article/details/18843087#comments
[https_www.cnblogs.com_wxquare_p_4759020.html]: https://www.cnblogs.com/wxquare/p/4759020.html