C++智能指针(三)——unique_ptr初探

news2024/10/5 15:28:34

与共享指针shared_ptr用于共享对象的目的不同，unique_ptr是用于独享对象。

文章目录

  • 1. unqiue_ptr的目的
  • 2. 使用 unique_ptr
    • 2.1 初始化 unique_ptr
    • 2.2 访问数据
    • 2.3 作为类的成员
    • 2.4 处理数组
  • 3. 转移所有权
    • 3.1 简单语法
    • 3.2 函数间转移所有权
      • 3.2.1 转移至函数体内
      • 3.2.2 转移出函数体
  • 4. Deleter
    • 4.1 default_delete<>
    • 4.2 其他相关资源的Deleters
  • 5. unique_ptr与shared_ptr性能的简单分析
  • 6. 附录
  • 7. 参考文献

1. unqiue_ptr的目的

首先，如果我们在函数中使用普通指针，会有许多问题，比如下面的函数 void f()：

void f()
{
	ClassA* ptr = new ClassA; // create an object explicitly
	... // perform some operations
	delete ptr; // clean up(destroy the object explicitly)
}

抛开使用普通指针容易忘记使用 delete 导致内存泄漏不谈，如果我们在执行一些操作的时候，出现错误了，那么也会导致内存泄漏。

那么就要引入异常处理操作，比如 try...catch...，那么程序会看起来冗余且复杂。

之前已经讨论过智能指针中的两个 shared_ptr 与 weak_ptr 带来的便捷性，而与共享对象的场景不同，unique_ptr 主要用于独享对象所有权的场景，即程序只有一个unique_ptr拥有该对象的所有权，只能转移所有权，不能共享所有权。与 shared_ptr 没有拥有该对象的智能指针后，释放资源与空间。

比如我们用 unique_ptr 改写上面的代码：

// header file for unique_ptr
#include <memory>
void f()
{
	// create and initialize an unique_ptr
	std::unique<ClassA> ptr(new ClassA);
	... // perform some operations
}

that’s all，这样我们就省去了delete 与异常处理部分，是不是非常滴nice~

2. 使用 unique_ptr

2.1 初始化 unique_ptr

unique_ptr 不允许使用赋值语法去使用一个普通指针初始化，只能直接将值代入构造函数进行初始化：

std::unique_ptr<int> up = new int; // ERROR
std::unique_ptr<int> up(new int); // OK

当然，一个unique_ptr可以不用一定拥有一个对象，即可以是空的。那就使用默认构造函数进行初始化：

std::unique_ptr<std::string> up;

可以使用 nullptr 赋值，或调用 reset()，这是等价的：

up = nullptr;
up.reset();

2.2 访问数据

与普通指针类似，可以使用 * 解引用出指向对象，也可以使用 -> 访问一个对象的成员：

// create and initialize (pointer to) string:
std::unique_ptr<std::string> up(new std::string("nico"));
(*up)[0] = ’N’; // replace first character
up->append("lai"); // append some characters
std::cout << *up << std::endl; // print whole string

unique_ptr 不允许指针算术运算，比如 ++，这可以看作是 unique_ptr 的优势，因为指针算术运算容易出错。

如果想在访问数据前，检查一个 unique_ptr 是否拥有一个对象，可以调用操作符 bool()：

if (up) { // if up is not empty
std::cout << *up << std::endl;
}

当然也可以将 unique_ptr 与 nullptr 比较，或者将 get() 得到的原生指针与 nullptr 比较，以达到检查的目的：

if (up != nullptr) // if up is not empty
if (up.get() != nullptr) // if up is not empty

2.3 作为类的成员

我们将 unique_ptr 应用到类，也可以避免内存泄漏。并且，如果使用 unique_ptr 而不是普通指针，类将不需要析构器，因为对象删除时，其成员也会被自动删除。

除此之外，正常情况下，析构器只有在构造函数完成的情况下才会调用。如果在一个构造函数内部出现异常，析构器只会给那些完全完成构造的对象调用(所以下面的ClassB在构造函数中出现异常时，此时不会调用析构函数)。这就会导致如果使用原生指针，那么构造函数中第一个new成功，第二个new失败就会产生内存泄漏：

class ClassB {
private:
ClassA* ptr1; // pointer members
ClassA* ptr2;
public:
// constructor that initializes the pointers
// - will cause resource leak if second new throws
ClassB (int val1, int val2)
: ptr1(new ClassA(val1)), ptr2(new ClassA(val2)) {
}
// copy constructor
// - might cause resource leak if second new throws
ClassB (const ClassB& x)
: ptr1(new ClassA(*x.ptr1)), ptr2(new ClassA(*x.ptr2)) {
}
// assignment operator
const ClassB& operator= (const ClassB& x) {
*ptr1 = *x.ptr1;
*ptr2 = *x.ptr2;
return *this;
}
~ClassB () {
delete ptr1;
delete ptr2;
}
...
};

可以使用 unique_ptr 替换原生指针来避免上述情况：

class ClassB {
private:
std::unique_ptr<ClassA> ptr1; // unique_ptr members
std::unique_ptr<ClassA> ptr2;
public:
// constructor that initializes the unique_ptrs
// - no resource leak possible
ClassB (int val1, int val2)
: ptr1(new ClassA(val1)), ptr2(new ClassA(val2)) {
}
// copy constructor
// - no resource leak possible
ClassB (const ClassB& x)
: ptr1(new ClassA(*x.ptr1)), ptr2(new ClassA(*x.ptr2)) {
}
// assignment operator
const ClassB& operator= (const ClassB& x) {
*ptr1 = *x.ptr1;
*ptr2 = *x.ptr2;
return *this;
}
// no destructor necessary
// (default destructor lets ptr1 and ptr2 delete their objects)
...
};

需要注意，如果不提供拷贝和赋值函数，对于默认的拷贝和赋值拷贝构造函数，显然是不可能的(不可能用一个独享指针拷贝构造一个独享指针)，所以，默认只提供移动构造函数。

2.4 处理数组

默认情况下，unique_ptrs 在失去对象的所有权之后，调用 delete，但对于数组，应该是调用 delete[]，所以下面的代码是可以编译的，但是有运行时错误的：

std::unique_ptr<std::string> up(new std::string[10]); // runtime ERROR

但其实我们不必像 shared_ptr 一样，在这种情况下，要通过自定义 deleter 来实现 delete[]。C++标准库已经对 unique_ptr 处理数组进行了特化，所以仅需要声明如下就可以：

std::unique_ptr<std::string[]> up(new std::string[10]); // OK

但是需要注意的是，这个特化会导致，我们不能使用 * 和 -> 访问数组，而是要使用 []，这其实就和我们正常访问数组是一样的了：

std::unique_ptr<std::string[]> up(new std::string[10]); // OK
...
std::cout << *up << std::endl; // ERROR: * not defined for arrays
std::cout << up[0] << std::endl; // OK

注：最后需要注意，索引的合法性是编码人员需要保证的，错误的索引会带来未定义的结果。

3. 转移所有权

3.1 简单语法

根据前面的讲解，我们知道需要保证没有两个unique_ptrs使用同一个指针初始化：

std::string* sp = new std::string("hello");
std::unique_ptr<std::string> up1(sp);
std::unique_ptr<std::string> up2(sp); // ERROR: up1 and up2 own same data

因为只能独有，不能共享，所以肯定也无法进行一般的拷贝和赋值操作。但C++11有了新的语法——移动语义，这可以让我们使用构造函数和赋值操作来在unique_ptrs中转移对象所有权：

// initialize a unique_ptr with a new object
std::unique_ptr<ClassA> up1(new ClassA);
// copy the unique_ptr
std::unique_ptr<ClassA> up2(up1); // ERROR: not possible
// transfer ownership of the unique_ptr
std::unique_ptr<ClassA> up3(std::move(up1)); // OK

上面是使用移动构造函数，下面使用赋值运算符有类似表现：

// initialize a unique_ptr with a new object
std::unique_ptr<ClassA> up1(new ClassA);
std::unique_ptr<ClassA> up2; // create another unique_ptr
up2 = up1; // ERROR: not possible
up2 = std::move(up1); // assign the unique_ptr
// - transfers ownership from up1 to up2

当然，如果up2之前拥有另一个对象的所有权，那么在将up1的所有权转移给up2之后，up2之前拥有的对象就会被释放：

// initialize a unique_ptr with a new object
std::unique_ptr<ClassA> up1(new ClassA);
// initialize another unique_ptr with a new object
std::unique_ptr<ClassA> up2(new ClassA);
up2 = std::move(up1); // move assign the unique_ptr
// - delete object owned by up2
// - transfer ownership from up1 to up2

当然，不能是将普通指针赋值给 unique_ptr，我们可以构造一个新的 unique_ptr来赋值：

std::unique_ptr<ClassA> ptr; // create a unique_ptr
ptr = new ClassA; // ERROR
ptr = std::unique_ptr<ClassA>(new ClassA); // OK, delete old object
// and own new

一个特殊的语法，我们可以使用 release() 将 unique_ptr 拥有的对象所有权还给普通指针，当然也可以用于创建新的智能指针：

std::unique_ptr<std::string> up(new std::string("nico"));
...
std::string* sp = up.release(); // up loses ownership

3.2 函数间转移所有权

分为将所有权转入函数体内，以及从函数内转移出所有权两种情况。

3.2.1 转移至函数体内

下面的代码中，我们使用 sink(std::move(up)) 将函数体外部的up的所有权转移至函数 sink 内：

void sink(std::unique_ptr<ClassA> up) // sink() gets ownership
{
...
}
std::unique_ptr<ClassA> up(new ClassA);
...
sink(std::move(up)); // up loses ownership
...

3.2.2 转移出函数体

比如下面的代码中，source() 返回一个 unique_ptr，我们用 p 接收，就能获取对应对象的所有权：

std::unique_ptr<ClassA> source()
{
	std::unique_ptr<ClassA> ptr(new ClassA); // ptr owns the new object
	...
	return ptr; // transfer ownership to calling function
}
void g()
{
	std::unique_ptr<ClassA> p;
	for (int i=0; i<10; ++i) {
	p = source(); // p gets ownership of the returned object
	// (previously returned object of f() gets deleted)
	...
	}
} // last-owned object of p gets deleted

当然，每一次获取新的对象的所有权，都会把老对象给释放掉，在 g() 函数结束，也会释放最后获得的对象。

这里，不需要再 source() 函数中，使用移动语义，是因为根据C++11语法规则，编译器会自动尝试进行一个移动。

4. Deleter

unique_ptr<> 针对初始指针引用对象的类别以及deleter的类型进行模板化：

namespace std {
template <typename T, typename D = default_delete<T>>
class unique_ptr
{
public:
typedef ... pointer; // may be D::pointer
typedef T element_type;
typedef D deleter_type;
...
};
}

对于数组的特化，其有相同的默认deleter，即 default_delete<T[]>：

namespace std {
template <typename T, typename D>
class unique_ptr<T[], D>
{
public:
	typedef ... pointer; // may be D::pointer
	typedef T element_type;
	typedef D deleter_type;
	...
	};
}

4.1 default_delete<>

下面我们深入研究 unique_ptr 的声明：

namespace std {
// primary template:
template <typename T, typename D = default_delete<T>>
class unique_ptr
{
public:
...
T& operator*() const;
T* operator->() const noexcept;
...
};
// partial specialization for arrays:
template<typename T, typename D>
class unique_ptr<T[], D>
{
public:
...
T& operator[](size_t i) const;
...
}
}

其中，std::default_delete<> 内容如下，对于 T 调用 delete，对于 T[]，调用 delete[]：

namespace std {
// primary template:
template <typename T> class default_delete {
public:
void operator()(T* p) const; // calls delete p
...
};
// partial specialization for arrays:
template <typename T> class default_delete<T[]> {
public:
void operator()(T* p) const; // calls delete[] p
...
};
}

4.2 其他相关资源的Deleters

这个在 shared_ptr 的讲解中有提到，与 shared_ptr 一致在我们可以自定义 deleter，不同的是，shared_ptr 需要模板中提供deleter的类别。比如使用一个函数对象，传入类的名称：

class ClassADeleter
{
public:
void operator () (ClassA* p) {
std::cout << "call delete for ClassA object" << std::endl;
delete p;
}
};
...
std::unique_ptr<ClassA,ClassADeleter> up(new ClassA());

再比如使用一个函数或lambda表达式，我们可以指定为类似 void(*)(T*) 或 std::function<void(T*)> 或使用 decltype：

std::unique_ptr<int,void(*)(int*)> up(new int[10],
[](int* p) {
...
delete[] p;
}); // 1

std::unique_ptr<int,std::function<void(int*)>> up(new int[10],
[](int* p) {
...
delete[] p;
}); // 2

auto l = [](int* p) {
...
delete[] p;
};
std::unique_ptr<int,decltype(l)>> up(new int[10], l); // 3

还有一个骚操作：使用别名模板以避免指定deleter的类型

template <typename T>
using uniquePtr = std::unique_ptr<T,void(*)(T*)>; // alias template
...
uniquePtr<int> up(new int[10], [](int* p) { // used here
...
delete[] p;
});

5. unique_ptr与shared_ptr性能的简单分析

shared_ptr 类是使用一种非侵入的方式实现的，意味着这个类管理的对象不需要满足一个特定的需求，比如必须一个公共的基类等。这带来的巨大优势就是这个共享指针可以被用于任意类型，包括基础数据类型。因而产生的代价是，shared_ptr 对象内部需要多个成员：

  • 一个指向引用对象的普通指针
  • 一个所有共享指针引用相同的对象的计数器
  • 由于weak_ptr的存在，需要另一个计数器

因此，shared 和 weak 指针内部需要额外的helper对象，内部有指针引用它。这意味着一些特定的优化是不可能的(包括空基类优化，这允许消除任何内存开销)。

而 unique_ptr 不需要这些开销。它的“智能”是基于特有的构造函数和析构函数，以及拷贝语义的去除。对于一个有着无状态的活空的deleter的unique指针，将会消耗与原生指针相同大小的内存。而且比起使用原生指针和进行手动delete，没有额外的运行时开销。

但是，为了避免不必要开销的引入，你应该使用对于deleters使用函数对象(包括lambda表达式)以带来理想情况下0开销的最佳优化。

6. 附录

A. unique_ptr 操作表

7. 参考文献

《The C++ Standard Library》A Tutorial and Reference, Second Edition, Nicolai M. Josuttis.

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