C++小知識——記憶體管理之智慧指標

阿新 • • 發佈：2018-11-07

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在C++中，動態記憶體的管理是通過一對運算子來完成的：
1）new：在動態記憶體中為物件分配空間並返回一個指向該物件的指標
2）delete：接受一個動態物件的指標，銷燬該物件，並釋放與之關聯的記憶體
因為這樣的原因，我們時常很難確保在正確的時間去釋放記憶體，甚至我們忘記了去釋放記憶體，這樣就會產生記憶體洩漏，有時在尚有指標引用記憶體時，我們提前釋放了它，那麼這個時候就會產生引用非法記憶體的指標。

引言

為了更容易、更安全地使用動態記憶體，新標準庫提供了智慧指標型別來管理動態物件，均定義在memory標頭檔案中。

一、shared_ptr共享智慧指標

std::shared_ptr使用引用計數，每個shared_ptr的拷貝都指向相同的記憶體，資源被幾個指標共享（可以通過user_count()來檢視資源的所有者個數）

，在最後一個shared_ptr析構時記憶體才會釋放

1.1 基本使用

1.1.1 初始化方法

1）呼叫make_shared標準庫函式，此函式在動態記憶體中分配一個物件並初始化它，返回指向此物件的shared_ptr
2）通過new來構造

1.1.2 shared_ptr的拷貝和賦值

當進行拷貝或賦值操作時，每個shared_ptr都會記錄有多少個其他shared_ptr指向相同的物件。
1）遞增情況：
無論何時我們去拷貝一個shared_ptr，計數器都會遞增

用一個shared_ptr去初始化另一個shared_ptr
將它作為引數傳遞給一個函式時
作為函式的返回值時

2）遞減情況：

給shared_ptr賦予一個新的值的時候
shared_ptr被銷燬（例如一個區域性的shared_ptr離開其作用域）的時候
一旦一個shared_ptr的計數器變為0，它就會自動釋放自己所管理的物件。

1.2 舉個栗子

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在都reset之後，引用計數均變為0.

1.3 其他功能

通過get方法來獲取原指標，但不能釋放

std::shared_ptr<int> ptr(new int(10));
int *p = ptr.get();
delete p;		// error

指定刪除器，在指標引用為0的時候自動呼叫。支援普通函式和lambda表示式

// 普通函式
void DeleteIntPtr(int *p) {delete p;}
shared_ptr<int> p(new int(10), DeleteIntPtr);

// lambda表示式
shared_ptr<int> p(new int(10), [](int *p) {delete p;});

當智慧指標管理動態陣列的時候，預設的刪除器不支援陣列物件。需要指定刪除器，自定義刪除器或者使用改善的預設修改器都可以。

shared_ptr<int> p(new int[10], [](int *p) {delete[] p;}); // lambda
shared_ptr<int> p1(new int[10], default_delete<int []>); // 指定delete []

1.4 使用時要注意的問題

1）避免一個原始指標初始化多個shared_ptr

int* p = new int;
shared_ptr<int> p1(p);
shared_ptr<int> p2(p);

2）不要在引數實參中建立shared_ptr，而應該先建立，再用來做引數傳遞

func(shared_ptr<int>(new int), g());	// ERROR

shared_ptr<int> p(new int);
f(p, g());

二、unique_ptr獨佔智慧指標

2.1 初始化

unique_ptr是一個獨佔型智慧指標，與shared_ptr的不同：

某個時刻智慧有一個unique_ptr指向一個給定物件。當unique_ptr被銷燬時，它所指向的物件也被銷燬
沒有類似make_shared的標準庫函式返回一個unique_ptr。
定義一個unique_ptr時，需要將其繫結到一個new返回的指標上。

幾個要注意的：

- 不允許其他的智慧指標共享其內部的指標

- 不允許通過賦值將一個unique_ptr賦值給另一個unique_ptr，即無法使兩個unique_ptr指向同一個物件

- 用move()函式把unique_ptr傳入來返回給其它的unique_ptr，轉移之後，不再對之前的指標具有所有權，即原先的unique_ptr已經失效了

- 初始化unique_ptr須採用直接初始化的形式，如unique_ptr p2(new int(42));`// p2指向一個值為42的物件

- 雖然不能拷貝或賦值unique_ptr，但可以通過release或reset將指標的所有權從一個unique_ptr轉到另一個unique_ptr，release成員返回unique_ptr當前儲存的指標並將其置為空

2.2 舉個栗子

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2.3 其他功能

與shared_ptr不同，在指定刪除器時，必須指定刪除器型別

shared_ptr<int> ptr(new int(1), [](int *p){delete p;}); 　　　　　　　　　　//ok

unique_ptr<int> ptr2(new int(1), [](int *p){delete p;}); 　　　　　　　　　 //error
unique_ptr<int, void(*)(int *)> ptr2(new int(1), [](int *p){delete p;}); //ok

與shared_ptr不同，可以指向一個數組

unique_ptr<int []> ptr(new int[10]);   //ok
ptr[1] = 10;

shared_ptr<int []> ptr2(new int[10]); //error

三、weak_ptr弱引用智慧指標

weak_ptr弱引用智慧指標是用來解決相互引用時的死鎖問題，如果說兩個shared_ptr相互引用，那麼這兩個指標的引用計數永遠不可能下降為0，資源永遠不會釋放。它是對物件的一種弱引用，不會增加物件的引用計數，和shared_ptr之間可以相互轉化，shared_ptr可以直接賦值給它，它可以通過呼叫lock函式來獲得shared_ptr

3.1 基本使用

觀察計數，通過use_count方法來獲得當前資源的引用計數

std::shared_ptr<int> sp(new int(10));

std::weak_ptr<int> wp(sp);
std::cout << wp.use_count() << std::endl; // 輸出1

std::shared_ptr<int> ssp(sp);
std::cout << ssp.use_count() << std::endl; // 輸出2

觀察是否有效

shared_ptr<int> sp(new int(10));
weak_ptr<int> wp(sp);

if (wp.expired()) {
	cout << "sp 已經釋放，無效" << endl;
} else {
	cout << "sp 有效" << endl;		// 輸出
}

lock()函式，返回一個shared_ptr智慧指標，獲取所監視的shared_ptr

weak_ptr<int> gw;
auto spt = gw.lock();
cout << *spt << endl;