【hello C++】智能指针

目录

一、内存泄漏

1.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

1.2 内存泄漏分类

1.3 如何检测内存泄漏

1.4 如何避免内存泄漏

二、智能指针的使用及原理

2.1 RAII

2.2 智能指针的原理

2.3 智能指针的发展历程

2.4 智能指针的模拟及实现

三、shared_ptr 常见的问题

3.1 线程安全问题

3.2 循环引用问题

C++智能指针~🌷

一、内存泄漏

1.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏： 内存泄漏指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。内存泄漏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。

内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，

出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

1.2 内存泄漏分类

C/C++ 程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄漏(Heap leak)

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 Heap Leak 。

系统资源泄漏

指程序使用系统分配的资源，比方套接字、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减少，系统执行不稳定。

1.3 如何检测内存泄漏

在linux下内存泄漏检测：Linux下几款内存泄露检测工具
在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
其他工具：内存泄漏工具比较

1.4 如何避免内存泄漏

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条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。
有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下:

内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：

事前预防型。如：良好的代码风格、智能指针等。
事后查错型。如泄漏检测工具。

二、智能指针的使用及原理

2.1 RAII

RAII （ Resource Acquisition Is Initialization ）是一种 利用对象生命周期来控制程序资源 （如

内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

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生命周期内始终保持有效，最

后在 对象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；

2.2 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；

2.3 智能指针的发展历程

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。

2.4 智能指针的模拟及实现

auto_ptr

std::auto_ptr 文档

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 rxy ::auto_ptr 来了解它

的原理。

// C++98
// auto_ptr;
namespace rxy
{
	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>& ptr)
			:_ptr(ptr._ptr)
		{
			ptr._ptr = nullptr;
		}

		// 赋值
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ptr)
		{
			if (this != &ptr)
			{
				if (_ptr)
					delete _ptr;

				_ptr = ptr._ptr;
				ptr._ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}

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

		// 像指针一样去使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

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

总结：

auto_ptr：资源转移，会造成原指针悬空的问题，是一个失败设计，很多公司明确要求不能

使用 auto_ptr。

unique_ptr

unique_ptr 文档

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

// unique_ptr
namespace rxy
{
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}

		unique_ptr(unique_ptr<T>& ptr) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>& ptr) = delete;

		~unique_ptr()
		{
			if (_ptr) delete _ptr;
		}

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

		T* operator->()
		{
			retrun _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

shared_ptr

shared_ptr 文档

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。

// shared_ptr
// 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;

namespace rxy
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_count(new int(1))
			,_mtx(new mutex)
		{}

		shared_ptr(const shared_ptr<T>& ptr)
			:_ptr(ptr._ptr)
			, _count(ptr._count)
			, _mtx(ptr._mtx)
		{
			AddCount();
		}

		void AddCount()
		{
			_mtx->lock();
			(*_count)++;
			_mtx->unlock();
		}

		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& ptr)
		{
			if (_ptr != ptr._ptr)
			{
				if (_ptr) Release();
				_ptr = ptr._ptr;
				_count = ptr._count;
				_mtx = ptr._mtx;
				AddCount();
			}
			return *this;
		}

		void Release()
		{
			bool flag = false;

			_mtx->lock();
			if (_ptr && --(*_count) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _count;
				flag = true;
			}
			_mtx->unlock();

			if (flag == true)
				delete _mtx;
		}

		~shared_ptr()
		{
			if (_ptr) Release();
		}

		int GetCount()
		{
			return *_count;
		}

		T* Get() const 
		{
			return _ptr;
		}

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

		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _count;
		mutex* _mtx;
	};
}

weak_ptr

	// 简化版的weak_ptr
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
			:_ptr(nullptr)
		{}

		weak_ptr(const shared_ptr<T>& ptr)
			:_ptr(ptr.Get())
		{}

		weak_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& ptr)
		{
            // 调用shared_ptr的
			_ptr = ptr.Get();
		}

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

		T& operator*()
		{
			retrun* _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};

三、shared_ptr 常见的问题

3.1 线程安全问题

shared_ptr 的线程安全分为两方面：

1. 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。

2. 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。

3.2 循环引用问题

#include <iostream>
using namespace std;

struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;
};

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;
}

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。

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;
}

如果不是 new 出来的对象如何通过智能指针管理呢？

其实 shared_ptr 设计了一个删除器来解决这 个问题

// 仿函数的删除器
template<class T>
struct FreeFunc 
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "free:" << ptr << endl;
		free(ptr);
	}
};

template<class T>
struct DeleteArrayFunc 
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

int main()
{
	FreeFunc<int> freeFunc;
	std::shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
	DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
	std::shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);


	std::shared_ptr<A> sp4(new A[10], [](A* p) {delete[] p; });
	std::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* p){fclose(p); });

	return 0;
}