C++11中智能指針的原理、使用、實現
目錄
-
- 理解智能指針的原理
- 智能指針的使用
- 智能指針的設計和實現
1.智能指針的作用
C++程序設計中使用堆內存是非常頻繁的操作，堆內存的申請和釋放都由程序員自己管理。程序員自己管理堆內存可以提高了程序的效率，但是整體來說堆內存的管理是麻煩的，C++11中引入了智能指針的概念，方便管理堆內存。使用普通指針，容易造成堆內存泄露（忘記釋放），二次釋放，程序發生異常時內存泄露等問題等，使用智能指針能更好的管理堆內存。
理解智能指針需要從下面三個層次：
- 從較淺的層面看，智能指針是利用了一種叫做RAII（資源獲取即初始化）的技術對普通的指針進行封裝，這使得智能指針實質是一個對象，行為表現的卻像一個指針。
- 智能指針的作用是防止忘記調用delete釋放內存和程序異常的進入catch塊忘記釋放內存。另外指針的釋放時機也是非常有考究的，多次釋放同一個指針會造成程序崩潰，這些都可以通過智能指針來解決。
- 智能指針還有一個作用是把值語義轉換成引用語義。C++和Java有一處最大的區別在於語義不同，在Java裏面下列代碼：
Animal a = new Animal();
Animal b = a;
你當然知道，這裏其實只生成了一個對象，a和b僅僅是把持對象的引用而已。但在C++中不是這樣，
Animal a;
Animal b = a;
這裏卻是就是生成了兩個對象。
關於值語言參考這篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
2.智能指針的使用
智能指針在C++11版本之後提供，包含在頭文件<memory>中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr
2.1 shared_ptr的使用
shared_ptr多個指針指向相同的對象。shared_ptr使用引用計數，每一個shared_ptr的拷貝都指向相同的內存。每使用他一次，內部的引用計數加1，每析構一次，內部的引用計數減1，減為0時，自動刪除所指向的堆內存。shared_ptr內部的引用計數是線程安全的，但是對象的讀取需要加鎖。
- 初始化。智能指針是個模板類，可以指定類型，傳入指針通過構造函數初始化。也可以使用make_shared函數初始化。不能將指針直接賦值給一個智能指針，一個是類，一個是指針。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的寫法是錯誤的
- 拷貝和賦值。拷貝使得對象的引用計數增加1，賦值使得原對象引用計數減1，當計數為0時，自動釋放內存。後來指向的對象引用計數加1，指向後來的對象。
- get函數獲取原始指針
- 註意不要用一個原始指針初始化多個shared_ptr，否則會造成二次釋放同一內存
- 註意避免循環引用，shared_ptr的一個最大的陷阱是循環引用，循環，循環引用會導致堆內存無法正確釋放，導致內存泄漏。循環引用在weak_ptr中介紹。
#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(); //獲取原始指針 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”擁有其所指對象，同一時刻只能有一個unique_ptr指向給定對象（通過禁止拷貝語義、只有移動語義來實現）。相比與原始指針unique_ptr用於其RAII的特性，使得在出現異常的情況下，動態資源能得到釋放。unique_ptr指針本身的生命周期：從unique_ptr指針創建時開始，直到離開作用域。離開作用域時，若其指向對象，則將其所指對象銷毀(默認使用delete操作符，用戶可指定其他操作)。unique_ptr指針與其所指對象的關系：在智能指針生命周期內，可以改變智能指針所指對象，如創建智能指針時通過構造函數指定、通過reset方法重新指定、通過release方法釋放所有權、通過移動語義轉移所有權。
#include <iostream> #include <memory> int main() { { std::unique_ptr<int> uptr(new int(10)); //綁定動態對象 //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(); //釋放所有權 } //超過uptr的作用域，內存釋放 }
2.3 weak_ptr的使用
weak_ptr是為了配合shared_ptr而引入的一種智能指針，因為它不具有普通指針的行為，沒有重載operator*和->,它的最大作用在於協助shared_ptr工作，像旁觀者那樣觀測資源的使用情況。weak_ptr可以從一個shared_ptr或者另一個weak_ptr對象構造，獲得資源的觀測權。但weak_ptr沒有共享資源，它的構造不會引起指針引用計數的增加。使用weak_ptr的成員函數use_count()可以觀測資源的引用計數，另一個成員函數expired()的功能等價於use_count()==0,但更快，表示被觀測的資源(也就是shared_ptr的管理的資源)已經不復存在。weak_ptr可以使用一個非常重要的成員函數lock()從被觀測的shared_ptr獲得一個可用的shared_ptr對象， 從而操作資源。但當expired()==true的時候，lock()函數將返回一個存儲空指針的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 循環引用
考慮一個簡單的對象建模——家長與子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。在Java 裏邊很好寫，不用擔心內存泄漏，也不用擔心空懸指針，只要正確初始化myChild 和myParent，那麽Java 程序員就不用擔心出現訪問錯誤。一個handle 是否有效，只需要判斷其是否non null。
public class Parent
{
private Child myChild;
}
public class Child
{
private Parent myParent;
}
在C++ 裏邊就要為資源管理費一番腦筋。如果使用原始指針作為成員，Child和Parent由誰釋放？那麽如何保證指針的有效性？如何防止出現空懸指針？這些問題是C++面向對象編程麻煩的問題，現在可以借助smart pointer把對象語義（pointer）轉變為值（value）語義，shared_ptr輕松解決生命周期的問題，不必擔心空懸指針。但是這個模型存在循環引用的問題，註意其中一個指針應該為weak_ptr。
原始指針的做法，容易出錯
#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; }
循環引用內存泄露的問題
#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; }
正確的做法
#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.智能指針的設計和實現
下面是一個簡單智能指針的demo。智能指針類將一個計數器與類指向的對象相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。每次創建類的新對象時，初始化指針並將引用計數置為1；當對象作為另一對象的副本而創建時，拷貝構造函數拷貝指針並增加與之相應的引用計數；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左操作數所指對象的引用計數（如果引用計數為減至0，則刪除對象），並增加右操作數所指對象的引用計數；調用析構函數時，構造函數減少引用計數（如果引用計數減至0，則刪除基礎對象）。智能指針就是模擬指針動作的類。所有的智能指針都會重載 -> 和 * 操作符。智能指針還有許多其他功能，比較有用的是自動銷毀。這主要是利用棧對象的有限作用域以及臨時對象（有限作用域實現）析構函數釋放內存。
1 #include <iostream> 2 #include <memory> 3 4 template<typename T> 5 class SmartPointer { 6 private: 7 T* _ptr; 8 size_t* _count; 9 public: 10 SmartPointer(T* ptr = nullptr) : 11 _ptr(ptr) { 12 if (_ptr) { 13 _count = new size_t(1); 14 } else { 15 _count = new size_t(0); 16 } 17 } 18 19 SmartPointer(const SmartPointer& ptr) { 20 if (this != &ptr) { 21 this->_ptr = ptr._ptr; 22 this->_count = ptr._count; 23 (*this->_count)++; 24 } 25 } 26 27 SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) { 28 if (this->_ptr == ptr._ptr) { 29 return *this; 30 } 31 32 if (this->_ptr) { 33 (*this->_count)--; 34 if (this->_count == 0) { 35 delete this->_ptr; 36 delete this->_count; 37 } 38 } 39 40 this->_ptr = ptr._ptr; 41 this->_count = ptr._count; 42 (*this->_count)++; 43 return *this; 44 } 45 46 T& operator*() { 47 assert(this->_ptr == nullptr); 48 return *(this->_ptr); 49 50 } 51 52 T* operator->() { 53 assert(this->_ptr == nullptr); 54 return this->_ptr; 55 } 56 57 ~SmartPointer() { 58 (*this->_count)--; 59 if (*this->_count == 0) { 60 delete this->_ptr; 61 delete this->_count; 62 } 63 } 64 65 size_t use_count(){ 66 return *this->_count; 67 } 68 }; 69 70 int main() { 71 { 72 SmartPointer<int> sp(new int(10)); 73 SmartPointer<int> sp2(sp); 74 SmartPointer<int> sp3(new int(20)); 75 sp2 = sp3; 76 std::cout << sp.use_count() << std::endl; 77 std::cout << sp3.use_count() << std::endl; 78 } 79 //delete operator 80 }
參考：
- 值語義：http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
- shared_ptr使用：http://www.cnblogs.com/jiayayao/archive/2016/12/03/6128877.html
- unique_ptr使用：http://blog.csdn.net/pi9nc/article/details/12227887
- weak_ptr的使用：http://blog.csdn.net/mmzsyx/article/details/8090849
- weak_ptr解決循環引用的問題：http://blog.csdn.net/shanno/article/details/7363480
- C++面試題（四）——智能指針的原理和實現
C++11中智能指針的原理、使用、實現