C++：智能指针

news2024/11/27 12:37:57

目录

一. 智能指针的概念及原理

1.1 什么是智能指针

1.2 智能指针的原理

二. 智能指针的拷贝问题

三. auto_ptr

3.1 auto_ptr的拷贝构造和赋值问题

3.2 auto_ptr的模拟实现

四. unique_ptr 

五. shared_ptr

5.1 shared_ptr的常用接口

5.2 shared_ptr的拷贝构造和赋值问题

5.3 shared_ptr的模拟实现

5.4 shared_ptr的循环引用问题

六. weak_ptr

七. 总结

一. 智能指针的概念及原理

1.1 什么是智能指针

智能指针RAII(Resource Acquisition Is Initialization)，是一种利用对象的生命周期来管理资源的技术。如果我们采用传统的new/delete来申请和释放资源，如果忘记调用delete，或者在调用delete之前程序抛出异常，都会导致内存泄漏问题，如代码1.1，Func函数中的new p2和Div都可能抛异常，导致后面的delete没有执行从而引发内存泄漏，采用智能指针对资源进行管理，能够杜绝这类问题。

代码1.1：因异常引发的内存泄漏

int Div(int a, int b)
{
	if (b == 0)
		throw "除0错误";
	else
		return a / b;
}

void Func()
{
	int* p1 = new int[5];
	int* p2 = new int[5];

	//这里Div函数会抛异常，main函数会捕获异常，delete[]没有执行，引发内存泄漏
	int ret = Div(5, 0);

	delete[] p1;
	delete[] p2;
}

int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (std::exception& e)
	{
		std::cout << e.what() << std::endl;
	}
	catch (...)
	{
		std::cout << "未知错误" << std::endl;
	}

	return 0;
}

智能指针是一个类，在对象构造时调用构造函数获取资源，在对象生命周期内，保证资源不被释放，在对象生命周期结束时，编译器自动调用析构函数来释放资源。这就相当于，将管理资源的责任移交给了对象，这样即使程序抛出异常也不存在内存泄漏，因为捕获异常往往跳出函数体，执行流会离开对象的作用域，对象生命周期结束，编译器自动调用析构函数释放了资源。

采用智能指针管理资源，有如下优点：

  • 将资源管理的责任转移给智能指针对象，不用显示地释放资源，杜绝了异常安全问题。
  • 保证对象管理的资源在其生命周期内有效。

代码1.2定义了一种简易的智能指针SmartPtr，在其析构函数中会对资源进行释放。因为申请的资源可能是通过new T、new T[n]、malloc(...)这几种方法的任意之一来申请的，每种方式申请的资源需要不同的关键字/函数来释放资源，否则程序可能会崩溃。

因此，需要一个模板参数Del，这个模板参数用于接收仿函数，以匹配不同的资源释放方式。我们默认采用delete的方式释放资源，C++标准库中提供的智能指针，如果不显示给定仿函数来定义释放资源的方式，也是默认delete释放资源。

代码1.2：智能指针的简易实现 -- SmartPtr

template<class T>
struct Delete
{
	void operator()(T* ptr) { delete ptr;}
};

template<class T>
struct DeleteArray
{
	void operator()(T* ptr) { delete[] ptr; }
};

template<class T>
struct Free
{
	void operator()(T* ptr) { free(ptr); }
};

template<class T, class Del = Delete<T>>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)  //构造函数
		: _ptr(ptr)
	{ }

	~SmartPtr()
	{
		Del del;
		del(_ptr);
	}

private:
	T* _ptr;  //管理的资源
};

1.2 智能指针的原理

智能指针，顾名思义，不能仅仅是用于资源管理，还应当具有指针的一般功能。因此，需要重载operator*、operator->函数（见代码1.3），用于访问指针指向的资源。注意：C++标准库中的智能指针均不重载operator[]函数。

智能指针原理总结：

  • RAII，管理资源，对象创建时申请资源，对象生命周期结束时释放资源。
  • 具有像指针一样的行为：operator*、operator->。

代码1.3：SmartPrt

template<class T, class Del = Delete<T>>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)  //构造函数
		: _ptr(ptr)
	{ }

	~SmartPtr()
	{
		Del del;
		del(_ptr);
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;  //管理的资源
};

二. 智能指针的拷贝问题

我们要求智能指针具有一般的指针行为，因此，我们也就需要智能指针支持拷贝。但是，智能指针中的成员涉及到执行动态申请资源的指针，按照一般要求，应当进行深拷贝。

但是如果我们进行深拷贝，就会让两个智能指针指向不同的空间，但是我们所希望的是两个指针共同管理一块资源，因此我们就是要浅拷贝（值拷贝）。

但是值拷贝会存在对同一块空间多次释放的问题，对此，C++标准库中的智能指针auto_ptr和shared_ptr分别采用了管理权转移和引用计数的方法来解决问题，但一般会通过引用计数解决多次释放的问题（见第3、4章）。

智能指针拷贝问题总结：

  • 即使涉及到动态申请内存，智能指针的拷贝也不应为深拷贝，应当是浅拷贝。
  • 采用管理权转移（auto_ptr）或引用计数（shared_ptr）来解决同一块空间多次释放的问题。
  • 一般都使用引用计数来解决多次释放问题，auto_ptr大部分情况下不使用。
图2.1 智能指针拷贝问题

三. auto_ptr

3.1 auto_ptr的拷贝构造和赋值问题

auto_ptr采用管理权转移的方法进行赋值和拷贝构造，假设原先有一个auto_ptr对象p1，要通过p1构造p2，当拷贝构造完成后，用于拷贝构造传参的对象p1中管理资源的指针会被更改为nullptr，赋值也一样，假设p2=p1，p1中资源的管理权会转移给p2，p2原本的资源会被释放。

采用管理权转移的方法进行智能指针拷贝是一种极不负责任的行为，auto_ptr已经被很多公司明令禁止使用，一般项目中也极少使用auto_ptr。

图3.1 auto_ptr的拷贝构造
图3.2 auto_ptr的赋值

3.2 auto_ptr的模拟实现

这里最需要注意的问题是实现operator=函数时的自赋值检验，因为p2=p1要涉及到资源释放，如果p1和p2指向同一块资源，p2的资源被先行释放，那么p2=p1后，p2依旧指向原来的空间，但这块空间的使用权利已经换给了操作系统。

namespace zhang
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		//构造函数
		auto_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
		{ }

		//拷贝构造函数
		auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
			: _ptr(ap._ptr)
		{
			ap._ptr = nullptr;   //管理权转移
		}

		//赋值函数
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
			if (_ptr != ap._ptr)  //自赋值检验
			{
				delete _ptr;
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
			}

			return *this;
		}

		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}

		//析构函数
		~auto_ptr()
		{
			delete _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
	};
}

四. unique_ptr 

unique直接将拷贝构造和赋值禁止，也就不存在浅拷贝的多次释放同一块空间的问题。

namespace zhang
{
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		//构造函数
		unique_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
		{ }

		//使用delete关键字强行禁止拷贝构造函数和赋值函数的生成
		unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;

		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}

		//析构函数
		~unique_ptr()
		{
			delete _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
	};
}

五. shared_ptr

shared是C++11标准库中新纳入的智能指针，它通过引用计数的方法，较好的解决了拷贝和赋值的问题，是实际项目中最常用的智能指针。

5.1 shared_ptr的常用接口

接口函数功能
shared_ptr(T* ptr = nullptr, Del del = Delete<T>())构造函数，del为定制删除器，是一个仿函数对象，用于不同情况下的资源释放操作
shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)拷贝构造函数
shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp) 赋值运算符重载函数
T& operator*()解引用操作符重载函数
T* operator->()成员访问操作符重载函数
T* get()获取shared_ptr内部管理资源的指针
long int use_count()

获取引用计数（当前智能指针管理的资源被多少智能指针共同管理）

bool unique()判断当前智能指针管理的资源是否只有它本身在管理（引用计数是否为1）

5.2 shared_ptr的拷贝构造和赋值问题

  • shared内部有一个成员变量long int* _pcount，它指向一块存储引用计数的空间，当进行拷贝构造时，引用计数+1，即：++(*_pcount)。
  • 进行赋值操作（sp2 = sp1）时，首先应当检查自赋值，如果是自赋值直接返回*this即可。如果不是自赋值，那么首先将sp2的引用计数-1，如果sp2的引用计数-1后变为了0，那么就释放sp2的资源，然后赋予sp2管理sp1管理的资源的权限，sp2和sp1共用一个引用计数，引用计数+1。
  • 调用析构函数时，先让引用计数-1，如果此时引用计数变为0，就释放资源。
图4.1 shared_ptr的拷贝构造问题
图4.2 shared_ptr的赋值问题

5.3 shared_ptr的模拟实现

namespace zhang
{
	template<class T, class Del = Delete<T>>
	class shared_ptr
	{
	public:
		//构造函数
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new long int(1))
		{ }

		//拷贝构造函数
		shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)
			: _ptr(sp._ptr)
			, _pcount(sp._pcount)
		{
			++(*_pcount);  //引用计数+1
		}

		//赋值函数
		shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr == sp._ptr)  //自赋值检查
			{
				return *this;
			}

			//this的引用计数-1，并判断是否需要释放资源
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				Del del;
				del(_ptr);
				delete _pcount;
			}

			_ptr = sp._ptr;
			_pcount = sp._pcount;
			++(*_pcount);

			return *this;
		}

		//指针获取函数
		T* get()
		{
			return _ptr;
		}

		//引用计数获取函数
		long int use_count()
		{
			return *_pcount;
		}

		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}

		bool unique()
		{
			return *_pcount == 1;
		}

		//析构函数
		~shared_ptr()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				Del del;
				del(_ptr);
				delete _pcount;
			}
		}

	private:
		T* _ptr;   //指向动态申请空间的指针
		long int* _pcount;   //引用计数
	};
}

5.4 shared_ptr的循环引用问题

在绝大部分情况下，shared_ptr能够解决智能指针赋值造成的多次析构问题，也不会引发内存泄漏。但是，代码4.1展现了一种特殊情况，定义一个Node节点，其中包含两个shared_ptr成员_prev和_next。在主函数中实例化出两个shared_ptr<Node>对象n1和n2，n1的_next指向n2，n2的_prev指向n1，n1和n2相互指向对方，这样就属于循环引用，会造成n1和n2的资源释放失败，引发内存泄漏问题。

代码4.1：循环引用

struct Node
{
	int _val;
	std::shared_ptr<Node> _prev;
	std::shared_ptr<Node> _next;

	~Node()
	{
		std::cout << "~Node()" << std::endl;
	}
};

int main()
{
	std::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> n2(new Node);

	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;

	return 0;
}

在代码4.1中，循环引用的成因如下：

  • 构造对象n1和n2，引用计数为1，然后n1->_next = n2、n2->_prev = n1后，引用计数变为2。
  • 先后由n2和n1调用析构函数，引用计数变为1。
  • 此时，n1和n2的资源还都没有释放，n1的_next依旧指向n2，n2的_prev依旧指向n1。
  • n1释放，就需要n2的_prev成员释放，n1释放，就需要n1的_next成员释放。但是，只有对象本身析构，它的成员才会析构，因此n1和n2彼此制约对方的析构，最终n1和n2的资源都无法释放，造成了内存泄漏。
图4.3 循环引用的原理

为了避免循环引用，可以把Node节点中的_next和_prev成员变量的类型改为weak_ptr<Node>，weak_ptr是C++标准库中的比较特殊的一个“智能指针”，允许使用shared_ptr对象来构造weak_ptr对象，但是，weak_ptr不增加引用计数，不参与资源的申请和释放，从严格意义上讲，weak_ptr不算是智能指针。

代码4.2：使用weak_ptr避免引用计数

struct Node
{
	int _val;
	std::weak_ptr<Node> _prev;
	std::weak_ptr<Node> _next;

	~Node()
	{
		std::cout << "~Node()" << std::endl;
	}
};

int main()
{
	std::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> n2(new Node);

	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;

	return 0;
}

六. weak_ptr

weak_ptr不参与资源的管理和释放，可以使用shared_ptr对象来构造weak_ptr对象，但是不能直接使用指针来构造weak_ptr对象，在weak_ptr中，也没有operator*函数和operator->成员函数，不具有一般指针的行为，因此，weak_ptr严格意义上并不是智能指针，weak_ptr的出现，就是为了解决shared_ptr的循环引用问题。

weak_ptr在进行拷贝构造和赋值时，不增加引用计数，由于weak_ptr不参与资源管理，也不需要显示定义析构函数来释放资源。

template<class T>
class weak_ptr
{
public:
	//默认构造函数
	weak_ptr()
		: _ptr(nullptr)
	{ }

	//拷贝构造函数
	weak_ptr(weak_ptr<T>& wp)
		: _ptr(wp._ptr)
	{ }

	//采用shared_ptr构造
	weak_ptr(shared_ptr<T>& sp)
		: _ptr(sp.get())
	{ }

	//赋值函数
	weak_ptr<T>& operator=(weak_ptr<T>& wp)
	{
		_ptr = wp._ptr;
	}

	//通过shared_ptr对象赋值
	weak_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
	{
		_ptr = sp.get();
	}

private:
	T* _ptr;
};

七. 总结

  • 智能指针是用来对资源进行管理的类，在对象创建时动态申请内存资源，在对象生命周期结束时由编译器自动调用析构函数完成资源的释放，智能指针除了用来管理资源外，还应当具有指针的一般行为（operator*函数和operator->函数）。
  • 使用智能指针，相当于把资源管理的责任转交给智能指针对象。这样能够有效避免因为忘记delete或者程序抛出异常而引起的内存泄漏。
  • 智能指针应支持浅拷贝，但是浅拷贝存在同一块空间被多次释放的问题，为此，C++标准库中的三种智能指针auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr分别采用了不同的方法来解决这一问题。
  • auto_ptr支持拷贝的方式是进行管理权转移，这是一种不负责任的处理方式，auto_ptr因此被许多公司禁止使用。
  • unique_ptr直接强行禁止拷贝构造和赋值。
  • shared_ptr通过引用计数的方式来进行浅拷贝，当引用计数为0时析构函数才释放资源，这样既支持了浅拷贝，也保证一块空间仅被析构一次。但是shared_ptr存在循环引用这一隐患，会造成内存泄漏。
  • 使用weak_ptr可以避免shared_ptr的循环引用问题，weak_ptr可以通shared_ptr对象来构造而不增加引用计数，weak_ptr不参与资源的管理，不支持operator*和operator->。

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