C++智能指针的使用：shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr的使用，使用案例说明。

news2024/10/5 14:27:20

系列文章目录

本章内容：
（1）shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr的介绍
（2）单独使用share_ptr造成的内存泄漏
（3）shared_ptr和weak_ptr的配合使用

文章目录

  • 系列文章目录
  • 前言
  • 一、shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr的使用
    • 1.1 shared_ptr
    • 1.2 weak_ptr
      • 1、weak_ptr指针的创建
      • 2、weak_ptr模板类提供的成员方法
    • 1.3 unique_ptr
  • 二、使用步骤
    • 1.shared_ptr单独使用案例
    • 2.weak_ptr和shared_ptr配合使用案例
  • 总结

前言

C/C++ 为了实现对内存的细粒度的操作，没有设计垃圾收集器。因此，使用 C/C++ 编写项目时，开发人员需要格外注意内存的申请和释放。本文介绍了shared_ptr和weak_ptr源码，分析了它们对内存泄漏的检测方式，并指出它们所存在的不足。希望读者可以通过改
进指针算法或 share_ptr 来规避内存泄漏，尽量不要写出连
检测算法也无法处理的代码结构。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr的使用

1.1 shared_ptr

share_ptr是C++11新添加的智能指针，它限定的资源可以被多个指针共享。

只有指向动态分配的对象的指针才能交给 shared_ptr 对象托管。将指向普通局部变量、全局变量的指针交给 shared_ptr 托管，编译时不会有问题，但程序运行时会出错，因为不能析构一个并没有指向动态分配的内存空间的指针。

1.2 weak_ptr

C++11 weak_ptr智能指针
和 shared_ptr、unique_ptr 类型指针一样，weak_ptr 智能指针也是以模板类的方式实现的。weak_ptr（ T 为指针所指数据的类型）定义在头文件，并位于 std 命名空间中。因此，要想使用 weak_ptr 类型指针，程序中应首先包含如下 2 条语句：

#include <memory>
using namespace std;

第 2 句并不是必须的，可以不添加，则后续在使用 unique_ptr 指针时，必须标注std::。

需要注意的是，C++11标准虽然将 weak_ptr 定位为智能指针的一种，但该类型指针通常不单独使用（没有实际用处），只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用。甚至于，我们可以将 weak_ptr 类型指针视为 shared_ptr 指针的一种辅助工具，借助 weak_ptr 类型指针， 我们可以获取 shared_ptr 指针的一些状态信息，比如有多少指向相同的 shared_ptr 指针、shared_ptr 指针指向的堆内存是否已经被释放等等。

需要注意的是，当 weak_ptr 类型指针的指向和某一 shared_ptr 指针相同时，weak_ptr 指针并不会使所指堆内存的引用计数加 1；同样，当 weak_ptr 指针被释放时，之前所指堆内存的引用计数也不会因此而减 1。也就是说，weak_ptr 类型指针并不会影响所指堆内存空间的引用计数。

除此之外，weak_ptr 模板类中没有重载 * 和 -> 运算符，这也就意味着，weak_ptr 类型指针只能访问所指的堆内存，而无法修改它。

1、weak_ptr指针的创建

创建一个 weak_ptr 指针，有以下 3 种方式：

  1. 可以创建一个空 weak_ptr 指针，例如：
std::weak_ptr<int> wp1;
  1. 凭借已有的 weak_ptr 指针，可以创建一个新的 weak_ptr 指针，例如：
std::weak_ptr<int> wp2 (wp1);

若 wp1 为空指针，则 wp2 也为空指针；反之，如果 wp1 指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，则 wp2 也指向该块存储空间（可以访问，但无所有权）。

  1. weak_ptr 指针更常用于指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，因为在构建 weak_ptr 指针对象时，可以利用已有的 shared_ptr 指针为其初始化。例如：
std::shared_ptr<int> sp (new int);
std::weak_ptr<int> wp3 (sp);

由此，wp3 指针和 sp 指针有相同的指针。再次强调，weak_ptr 类型指针不会导致堆内存空间的引用计数增加或减少。

2、weak_ptr模板类提供的成员方法

和 shared_ptr、unique_ptr 相比，weak_ptr 模板类提供的成员方法不多

weak_ptr指针可调用的成员方法

operator=()重载 = 赋值运算符，是的 weak_ptr 指针可以直接被 weak_ptr 或者 shared_ptr 类型指针赋值。
swap(x)其中 x 表示一个同类型的 weak_ptr 类型指针，该函数可以互换 2 个同类型 weak_ptr 指针的内容。
reset()将当前 weak_ptr 指针置为空指针。
use_count()看指向和当前 weak_ptr 指针相同的 shared_ptr 指针的数量。
expired()判断当前 weak_ptr 指针为否过期（指针为空，或者指向的堆内存已经被释放）
lock()如果当前 weak_ptr 已经过期，则该函数会返回一个空的 shared_ptr 指针；反之，该函数返回一个和当前 weak_ptr 指向相同的 shared_ptr 指针。

再次强调，weak_ptr 模板类没有重载 * 和 -> 运算符，因此 weak_ptr 类型指针只能访问某一 shared_ptr
指针指向的堆内存空间，无法对其进行修改。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
    std::shared_ptr<int> sp2(sp1);
    std::weak_ptr<int> wp(sp2);
    //输出和 wp 同指向的 shared_ptr 类型指针的数量
    cout << wp.use_count() << endl;
    //释放 sp2
    sp2.reset();
    cout << wp.use_count() << endl;
    //借助 lock() 函数，返回一个和 wp 同指向的 shared_ptr 类型指针，获取其存储的数据
    cout << *(wp.lock()) << endl;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

1.3 unique_ptr

unique_ptr 是一个独享所有权的智能指针，它提供了严格意义上的所有权。它取代了C++98中的auto_ptr。

unique_ptr对象包装一个原始指针，并负责其生命周期。当该对象被销毁时，会在其析构函数中删除关联的原始指针。

unique_ptr具有->和*运算符重载符，因此它可以像普通指针一样使用。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

struct Task {
    int mId;
    Task(int id) :mId(id) {
        cout << "Task::Constructor" << endl;
    }
    ~Task() {
        cout << "Task::Destructor" << endl;
    }
};

int main()
{
    // 通过原始指针创建 unique_ptr 实例
    //shared_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));
    //int id = taskPtr->mId;

    //调用其lock函数来获得shared_ptr示例，进而访问原始对象。
    //weak_ptr<Task> weak1 = taskPtr;
    //int id = weak1.lock()->mId;

    unique_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));
    int id = taskPtr->mId;

    cout << id << endl;

    return 0;
}

在这里插入图片描述

不管函数正常退出还是异常退出（由于某些异常），也会始终调用taskPtr的析构函数。因此，原始指针将始终被删除并防止内存泄漏。

二、使用步骤

1.shared_ptr单独使用案例

两个shared_ptr指针互相引用导致的资源释放失败的例子:

代码如下（示例）：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
using namespace std;

class B;
class A
{
public:
    shared_ptr<B> pb_;
    ~A()
    {
        cout << "A delete\n";
    }
};
class B
{
public:
    shared_ptr<A> pa_;
    ~B()
    {
        cout << "B delete\n";
    }
};

void fun() {
    shared_ptr<B> pb(new B());
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
    shared_ptr<A> pa(new A());
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1

    pb->pa_ = pa;
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
    pa->pb_ = pb;
    //由于share_ptr是共享资源，所以pb所指向的资源的引用计数也会加1
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//2
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
}//程序结束时，没有调用A和B的析构函数

int main()
{
    fun();
    system("pause");
    return 0;
}

在这里插入图片描述

注意，不能用下面的方式使得两个 shared_ptr 对象托管同一个指针：

A* p = new A(10);

shared_ptr <A> sp1(p), sp2(p);

sp1 和 sp2 并不会共享同一个对 p 的托管计数，而是各自将对 p 的托管计数都记为 1（sp2 无法知道 p 已经被 sp1 托管过）。这样，当 sp1 消亡时要析构 p，sp2 消亡时要再次析构 p，这会导致程序崩溃。

2.weak_ptr和shared_ptr配合使用案例

代码如下（示例）：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
using namespace std;

class B;
class A
{
public:
    weak_ptr<B> pb_weak;
    ~A()
    {
        cout << "A delete\n";
    }
};
class B
{
public:
    shared_ptr<A> pa_;
    ~B()
    {
        cout << "B delete\n";
    }
    void print() {
        cout << "This is B" << endl;
    }
};

void fun() {
    shared_ptr<B> pb(new B());
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
    shared_ptr<A> pa(new A());
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1

    pb->pa_ = pa;
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2

    pa->pb_weak = pb;
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1：弱引用不会增加所指资源的引用计数use_count()的值
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2

    shared_ptr<B> p = pa->pb_weak.lock();
    p->print();//不能通过weak_ptr直接访问对象的方法，须先转化为shared_ptr
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//2
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
}//函数结束时,调用A和B的析构函数

//资源B的引用计数一直就只有1，当pb析构时，B的计数减一，变为0，B得到释放，
//B释放的同时也会使A的计数减一，同时pa自己析构时也会使资源A的计数减一，那么A的计数为0，A得到释放。


int main()
{
    fun();
    system("pause");
    return 0;
}

在这里插入图片描述

总结

  1. weak_ptr是一种用于解决shared_ptr相互引用时产生死锁问题的智能指针。如果有两个shared_ptr相互引用，那么这两个shared_ptr指针的引用计数永远不会下降为0，资源永远不会释放。weak_ptr是对对象的一种弱引用，它不会增加对象的use_count，weak_ptr和shared_ptr可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给weak_ptr，weak_ptr也可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。
  2. weak_ptr指针通常不单独使用，只能和 shared_ptr
    类型指针搭配使用。将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放。
  3. weak_ptr并没有重载operator->和operator
    *操作符，因此不可直接通过weak_ptr使用对象，典型的用法是调用其lock函数来获得shared_ptr示例，进而访问原始对象。

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