c++ 学习系列 -- 智能指针

news2025/1/12 5:55:49

一   为什么引入智能指针？解决了什么问题？

C++ 程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。但使用普通指针，容易造成内存泄露（忘记释放）、二次释放、程序发生异常时内存泄露等问题等。

另外，使用普通指针容易产生 野指针、悬空指针 等问题。

所以 C++11 就引入了智能指针来管理内存。

二  常用的智能指针与区别

常用智能指针有  shared_ptr、unique_ptr 与 weak_ptr 

  • unique_ptr: 独占式指针，同一时刻只允许有一个 unique_ptr 指针指向一个对象
  • shared_ptr: 共享式指针，同一时刻允许多个 shared_ptr 指针指向同一个对象。
    •  缺点：出现相互引用时，容易导致死锁或者内存无法释放内存的问题
  • weak_ptr: 为了解决 shared_ptr 相互引用可能导致的死锁或无法释放内存的问题而引入，通常与shared_ptr 配合使用。但是由于缺少引用计数，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。 C++11智能指针（weak_ptr） - 简书 (jianshu.com)

三  常用智能指针使用例子

   1  unique_ptr 例子

        unique_ptr 是一个独享所有权的智能指针

#include<memory>
#include<string>
#include<iostream>

class Person
{
public:
    Person(std::string name):m_name(name)
    {
        std::cout << "Person constructor name: " << m_name << std::endl;
    }

    ~Person()
    {
        std::cout << "Person destructor name: " << m_name << std::endl;
    }

private:
    std::string m_name;
};

#include<memory>



void testUniquePtr()
{
    std::unique_ptr<Person>  p1_ptr(new Person("P1 ---"));
    std::unique_ptr<Person>  p2_ptr = std::move(p1_ptr);

   // std::unique_ptr<Person>  p3_ptr = p2_ptr; // 编译不过
   // std::unique_ptr<Person>  p4_ptr(p2_ptr); // 编译不过

}


int main(int argc, char *argv[])
{
    testUniquePtr();
    return 0;
}

   输出

 

2   shared_ptr 例子

#include<memory>
#include<iostream>
#include<string>

using namespace std;

void testSharedPtr()
{
        shared_ptr<string> pa(new string("PAAAA"));
        shared_ptr<string> pb(new string("PBBBB"));
        cout << "*pa " << *pa << endl;//CHN
        cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1
        cout << "*pb " << *pb << endl;//USA
        cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1

        pa = pb;
        cout << *pa << endl;//USA
        cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2：pa和pb指向同一个资源USA了，该资源的计数为2，所以pb、pb都输出2
        cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//2

        pa.reset();
        pb.reset();
        cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//0
        cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//0
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    testSharedPtr();
    return a.exec();
}

   3  weak_ptr 例子

       3.1  shared_ptr 相互引用的问题

// a.h
#include<memory>

class B;

class A
{
public:
    A()
   {
       std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
   }

    ~A()
   {
    std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
   }

public:
    std::shared_ptr<B> m_b_ptr;
};

// b.h
#include<memory>

class A;

class B
{
public:
    B()
    {
       std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
   }
    ~B()
    {
       std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
   }

public:
    std::shared_ptr<A> m_a_ptr;
};


// main.cpp
void testSharedPtr()
{
    std::shared_ptr<A> pa(new A);
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1

    std::shared_ptr<B> pb(new B);
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1

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

}

int main(int argc, char *argv[])
{
    testSharedPtr();

    return 0;
}

  输出 ：     

通过输出可以看到未执行析构函数，存在内存泄漏。

引用计数分别增加到了 2 ，不为 0 就意味着无法释放内存。

3.2  weak_ptr 与 share_ptr 使用 

// a.h
#include<memory>

class B;

class A
{
public:
    A()
   {
       std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
   }

    ~A()
   {
    std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
   }

public:
    std::weak_ptr<B> m_b_ptr;
};

// b.h
#include<memory>

class A;

class B
{
public:
    B()
    {
       std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
   }
    ~B()
    {
       std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
   }

public:
    std::shared_ptr<A> m_a_ptr;
};


// main.cpp
void testWeakPtr()
{
 std::shared_ptr<A> pa(new A);
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1

    std::shared_ptr<B> pb(new B);
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1

    pa->m_b_ptr = pb;
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
    pb->m_a_ptr = pa;
    
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1  由于 weak_ptr 是弱引用，不会增加引用计数
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2  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


}

int main(int argc, char *argv[])
{
    testWeakPtr();

    return 0;
}

输出：

 通过输出可以看到执行析构函数，不存在内存泄漏。

//  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。

四  智能指针的原理与简单实现

智能指针实际运用的就是c++ 中的 RAII 技术，详情见  C++ 学习系列 二 -- RAII 机制_在河之洲木水的博客-CSDN博客

1. unique_ptr 

 因为是独占型指针，所以需要禁止拷贝构造函数与赋值函数

// my_nuique_ptr.h
template<typename T>
class my_unique_ptr
{
public:
    my_unique_ptr(T* ptr = nullptr);
    ~my_unique_ptr();
    my_unique_ptr(my_unique_ptr&& other_ptr); // c++ 中声明移动构造函数后，则自动禁用拷贝构造函数
    my_unique_ptr& operator=(my_unique_ptr&& other_ptr); // c++ 中声明移动赋值函数后，则自动禁用拷贝赋值函数

    T& operator*() const; // 指针的基本操作，取值
    T* operator->() const;
    operator bool() const; // 提供一个本类型到bool的隐式转换，不允许使用参数

private:
    T* m_ptr;
};

template<typename T>
my_unique_ptr<T>::my_unique_ptr(T* ptr):m_ptr(ptr)
{

}

template<typename T>
my_unique_ptr<T>::~my_unique_ptr()
{
    delete m_ptr;
}

template<typename T>
my_unique_ptr<T>::my_unique_ptr(my_unique_ptr&& other_ptr)
{
    this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
    other_ptr.m_ptr = nullptr;
}

template<typename T>
my_unique_ptr<T>&
my_unique_ptr<T>::operator=(my_unique_ptr&& other_ptr)
{
    this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
    other_ptr.m_ptr = nullptr;

    return this;
}

template<typename T>
T&   my_unique_ptr<T>::operator*() const
{
    return *m_ptr;
}

template<typename T>
T* my_unique_ptr<T>::operator->() const
{
    return m_ptr;
}

template<typename T>
my_unique_ptr<T>::operator bool() const
{
    return m_ptr;
}



// main.cpp

#include<iostream>
#include"my_unique_ptr.h"

void testFunc2()
{
    my_unique_ptr<Person> my_ptr(new Person("p1 ------"));
    std::cout << "person name1: "<<my_ptr->getName() << std::endl;
    my_unique_ptr<Person> my_ptr2(std::move(my_ptr));
    std::cout << "person name2: "<<my_ptr2->getName() << std::endl;

     //my_unique_ptr<Person> my_ptr3 = my_ptr; // 编译失败
    // my_unique_ptr<Person> my_ptr4(my_ptr); // 编译失败

}


int main()
{
   testFunc2();

   return 0;
}

输出：

 

2. shared_ptr

3. weak_ptr

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