目录
- 一、智能指针的作用
- 二、内存泄露
- 1、什么是内存泄露
- 2、内存泄漏分类
- 3、如何避免内存泄露
- 三、智能指针的使用及原理
- 1、RAII
- 2、智能指针的原理
- 3、std::auto_ptr
- 4、std::unique_ptr
- 5、std::shared_ptr
- 1、std::shared_ptr原理
- 2、std::shared_ptr的线程安全问题
- 4、std::shared_ptr的循环引用
- 四、C++11和boost中智能指针的关系
一、智能指针的作用
我们先来看看下面一串代码：
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int div()
{
int a, b;
cin >> a >> b;
if (b == 0)
throw invalid_argument("除0错误");
return a / b;
}
void Func()
{
// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
int* p1 = new int;
int* p2 = nullptr;
try
{
p2 = new int;
}
catch (...)
{
delete p1;
throw;
}
try
{
cout << div() << endl;
}
catch (...)
{
delete p1;
delete p2;
throw;
}
delete p1;
delete p2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
我们会发现，p1抛异常，无影响，但是如果p2抛异常，我们就要释放p1，div抛异常，我们就要释放p1和p2。
如果还有p3和p4…呢？
由于动态内存的使用是很容易出问题的，因为无法确保在正确时间内释放内存，有时也会忘记释放内存，所以就会造成内存泄露，而且有时在还有指针引用内存的情况下我们就释放了它，就会造成野指针的问题。
为了更安全和更容易的使用动态内存，就提供了智能指针来管理动态对象。
二、内存泄露
1、什么是内存泄露
内存泄露：内存泄露是因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄露并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄露的危害：长期运行的程序出现内存泄露，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄露会导致响应越来越慢，最终卡死。
void MemoryLeaks()
{
// 1.内存申请了忘记释放
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
// 2.异常安全问题
int* p3 = new int[10];
Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
delete[] p3;
}
2、内存泄漏分类
- 堆内存泄漏：堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过 malloc / calloc / realloc / new 等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free 或者 delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生堆内存泄漏。
- 系统资源泄露：指程序使用系统分配的资源，如，套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能效能减少，系统执行不稳定。
检测内存泄露的方法：使用第三方工具进行检测
3、如何避免内存泄露
- 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间要时刻记住匹配的去释放。当然这是理想的状态，但是如果碰上异常时，就算释放了，还是可能会出现问题，所以就需要智能指针来管理才有保证。
- 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
- 如果出问题了，使用内存泄露工具检测
内存泄露非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型，如，智能指针等。2、事后查错型，如，泄露检测工具。
三、智能指针的使用及原理
1、RAII
RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源的技术。在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的使命周期内始终保持有效，最后在对像析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：
- 不需要显式地释放资源
- 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
int div()
{
int a, b;
cin >> a >> b;
if (b == 0)
throw invalid_argument("除0错误");
return a / b;
}
void Func()
{
SmartPtr<int> sp1(new int);
SmartPtr<int> sp2(new int);
cout << div() << endl;
}
int main()
{
try {
Func();
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
其中对象sp1和sp2就是把申请的空间交给智能指针去管理，局部对象出了作用域会调用析构函数。当然这还不能被称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。
2、智能指针的原理
指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此类中还需要将 * 、-> 重载下，才可让其像指针一样去使用。
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
SmartPtr<int> sp1(new int);
*sp1 = 10;
cout << *sp1 << endl;
SmartPtr<Date> sparray(new Date);
// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
sparray.operator->()->_year = 2024;
sparray->_month = 1;
sparray->_day = 1;
cout << sparray->_year << "-" << sparray->_month << "-" << sparray->_day << endl;
return 0;
}
总结一下智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为
3、std::auto_ptr
C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份auto_ptr来了解它的原理
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class my_auto_ptr
{
public:
my_auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
my_auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
// 管理权转移
sp._ptr = nullptr;
}
my_auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
// 检测是否为自己给自己赋值
if (this != &ap)
{
// 释放当前对象中资源
if (_ptr)
delete _ptr;
// 转移ap中资源到当前对象中
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
~my_auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
my_auto_ptr<int> sp1(new int);
my_auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移
// sp1悬空
*sp2 = 10;
cout << *sp2 << endl;
cout << *sp1 << endl;// 管理权转移以后导致sp1悬空，不能访问
return 0;
}
结论：auto_ptr是一个失败设计，在拷贝的时候会发生管理权转移问题，导致对象悬空，不能访问
4、std::unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class my_unique_ptr
{
public:
my_unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~my_unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
my_unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
my_unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
my_unique_ptr<int> sp1(new int);
//my_unique_ptr<int> sp2(sp1);
std::unique_ptr<int> sp3(new int);
//std::unique_ptr<int> sp4(sp3);
return 0;
}
C++11出来之前，boost早出了更好用的scoped_ptr/shared_ptr/weak_ptr，C++11将boost库中智能指针精华部分吸收了过来。
C++11中出了unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr。
unique_ptr / scoped_ptr的原理就是简单粗暴的防拷贝，在不用拷贝的场景下，就可以使用unique_ptr
5、std::shared_ptr
1、std::shared_ptr原理
C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源
- shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
- 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
- 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源。
- 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。
// 引用计数支持多个拷贝管理同一个资源，最后一个析构对象释放资源
#include <iostream>
#include <mutex>
using namespace std;
template<class T>
class my_shared_ptr
{
public:
my_shared_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _pRefCount(new int(1))
, _pmtx(new mutex)
{}
my_shared_ptr(const my_shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
, _pmtx(sp._pmtx)
{
AddRef();
}
void Release()
{
_pmtx->lock();
bool flag = false;
if (--(*_pRefCount) == 0 && _ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
delete _pRefCount;
flag = true;
}
_pmtx->unlock();
if (flag == true)
{
delete _pmtx;
}
}
void AddRef()
{
_pmtx->lock();
++(*_pRefCount);
_pmtx->unlock();
}
my_shared_ptr<T>& operator=(const my_shared_ptr<T>& sp)
{
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
Release(); _ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pmtx = sp._pmtx;
AddRef();
}
return *this;
}
int use_count()
{
return *_pRefCount;
}
~my_shared_ptr()
{
Release();
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pRefCount;
mutex* _pmtx;
};
// 简化版本的weak_ptr实现
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
my_shared_ptr<int> sp1(new int);
my_shared_ptr<int> sp2(sp1);
my_shared_ptr<int> sp3(sp1);
my_shared_ptr<int> sp4(new int);
my_shared_ptr<int> sp5(sp4);
sp1 = sp1;
sp1 = sp2;
sp1 = sp4;
sp2 = sp4;
sp3 = sp4;
*sp1 = 2;
*sp2 = 3;
return 0;
}
shared_ptr智能指针是线程安全的吗？
shared_ptr本身是线程安全的，因为引用计数的加减是加锁保护的。
shared_ptr管理的对象是否是线程安全？指向资源不是线程安全的
指向堆上资源的线程安全问题是访问的人处理的，智能指针不管，也管不了
引用计数的线程安全问题，是智能指针要处理的
2、std::shared_ptr的线程安全问题
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分
为两方面：
- 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2。这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
- 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题
演示引用计数线程安全问题，就把AddRefCount和SubRefCount中的锁去掉
演示可能不出现线程安全问题，因为线程安全问题是偶现性问题，main函数的n改大一些概率就变大了，就容易出现了。
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <memory>
using namespace std;
template<class T>
class my_shared_ptr
{
public:
my_shared_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _pRefCount(new int(1))
, _pmtx(new mutex)
{}
my_shared_ptr(const my_shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
, _pmtx(sp._pmtx)
{
AddRef();
}
void Release()
{
_pmtx->lock();
bool flag = false;
if (--(*_pRefCount) == 0 && _ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
delete _pRefCount;
flag = true;
}
_pmtx->unlock();
if (flag == true)
{
delete _pmtx;
}
}
void AddRef()
{
_pmtx->lock();
++(*_pRefCount);
_pmtx->unlock();
}
my_shared_ptr<T>& operator=(const my_shared_ptr<T>& sp)
{
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
Release(); _ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pmtx = sp._pmtx;
AddRef();
}
return *this;
}
int use_count()
{
return *_pRefCount;
}
~my_shared_ptr()
{
Release();
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pRefCount;
mutex* _pmtx;
};
struct Date
{
int _year = 0;
int _month = 0;
int _day = 0;
};
void SharePtrFunc(my_shared_ptr<Date>& sp, size_t n, mutex& mtx)
{
cout << sp.get() << endl;
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。
my_shared_ptr<Date> copy(sp);
// 这里智能指针访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n次，但是最终看到的结果，并一定是加了2n
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_year++;
copy->_month++;
copy->_day++;
}
}
}
int main()
{
my_shared_ptr<Date> p(new Date);
cout << p.get() << endl;
const size_t n = 1000000;
mutex mtx;
thread t1(SharePtrFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx));
thread t2(SharePtrFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx));
t1.join();
t2.join();
cout << p->_year << endl;
cout << p->_month << endl;
cout << p->_day << endl;
cout << p.use_count() << endl;
return 0;
}
有锁的结果：
无锁的结果：
无锁状态下，结果是随机的，是不安全的
可以验证库中的shared_ptr，会发现结论是一样的：
struct Date
{
int _year = 0;
int _month = 0;
int _day = 0;
};
void SharePtrFunc(std::shared_ptr<Date>& sp, size_t n, mutex& mtx)
{
cout << sp.get() << endl;
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。
std::shared_ptr<Date> copy(sp);
// 这里智能指针访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n次，但是最终看到的结果，并一定是加了2n
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_year++;
copy->_month++;
copy->_day++;
}
}
}
int main()
{
std::shared_ptr<Date> p(new Date);
cout << p.get() << endl;
const size_t n = 1000000;
mutex mtx;
thread t1(SharePtrFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx));
thread t2(SharePtrFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx));
t1.join();
t2.join();
cout << p->_year << endl;
cout << p->_month << endl;
cout << p->_day << endl;
cout << p.use_count() << endl;
return 0;
}
结果：
4、std::shared_ptr的循环引用
#include <iostream>
using namespace std;
struct ListNode
{
int _data;
shared_ptr<ListNode> _prev;
shared_ptr<ListNode> _next;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
结果：
循环引用分析：
- node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
- 也就是说_next析构了，node2就释放了。
- 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
- 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
原理就是：node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。
#include <iostream>
using namespace std;
struct ListNode
{
int _data;
weak_ptr<ListNode> _prev;
weak_ptr<ListNode> _next;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
结果：
weak_ptr解决了shared_ptr的循环用于的问题
四、C++11和boost中智能指针的关系
- C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr。
- C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr。
- C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
- C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。
