C++11 中智能指针的原理、使用、实现

技术专帖

前言

       程序员常常需要和指针打交道。有时候，对一个空指针解引用，或者访问到野指针等，都会造成程序的崩溃。崩溃有时或许还好排查，如果只是访问到脏数据，但程序运行稳定，那排查起来就麻烦了，在C++11中，引入了智能指针的概念，能更加方便的管理堆内存。本文主要介绍C++11智能指针的原理，使用和简单实现。

智能指针的作用

       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。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。
       理解智能指针需要从下面三个层次：
       从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
       智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
       智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：

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Animal a = new Animal();
Animal b = a;

       你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，

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Animal a;
Animal b = a;

       这里却是就是生成了两个对象。
       关于值语言参考这篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html

智能指针的使用

shared_ptr的使用

       shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
       初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared_ptr p4 = new int(1); 的写法是错误的拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。
       get函数获取原始指针
       注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。

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#include <iostream>
#include <memory>
int main()
{
    {
        int a = 10;
        std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a);
        std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //copy
        std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
        int b = 20;
        int *pb = &a;
        //std::shared_ptr<int> ptrb = pb;  //error
        std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);
        ptra2 = ptrb; //assign
        pb = ptrb.get(); //获取原始指针
        std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
        std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
    }
    return 0;
}

unique_ptr的使用

       unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁（默认使用delete操作符，用户可指定其他操作）。unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。

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#include <iostream>
#include <memory>
int main()
{
    {
        std::unique_ptr<int> uptr(new int(10));  //绑定动态对象
        //std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr;  //不能賦值
        //std::unique_ptr<int> uptr2(uptr);  //不能拷貝
        std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權
        uptr2.release(); //释放所有权
    }
    //超過uptr的作用域，內存釋放
    return 0;
}

weak_ptr的使用

       weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->，它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0，但更快，表示被观测的资源（也就是shared_ptr的管理的资源）已经不复存在。weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象，从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。

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#include <iostream>
#include <memory>
int main()
{
    {
        std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
        std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;
        std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
        std::cout << wp.use_count() << std::endl;
        if(!wp.expired())
        {
            std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr
            *sh_ptr = 100;
            std::cout << wp.use_count() << std::endl;
        }
    }
    //delete memory
    return 0;
}

循环引用

       考虑一个简单的对象建模——家长与子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。在Java 里边很好写，不用担心内存泄漏，也不用担心空悬指针，只要正确初始化myChild 和myParent，那么Java 程序员就不用担心出现访问错误。一个handle 是否有效，只需要判断其是否non null。

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public class Parent
{
    private Child myChild;
}
public class Child
{
    private Parent myParent;
}

       在C++ 里边就要为资源管理费一番脑筋。如果使用原始指针作为成员，Child和Parent由谁释放？那么如何保证指针的有效性？如何防止出现空悬指针？这些问题是C++面向对象编程麻烦的问题，现在可以借助smart pointer把对象语义（pointer）转变为值（value）语义，shared_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。但是这个模型存在循环引用的问题，注意其中一个指针应该为weak_ptr。原始指针的做法，容易出错
       原始指针的做法，容易出错

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#include <iostream>
#include <memory>
class Child;
class Parent;
class Parent
{
private:
    Child* myChild;
    
public:
    void setChild(Child* ch)
    {
        this->myChild = ch;
    }
    
    void doSomething()
    {
        if(this->myChild)
        {
        }
    }
    
    ~Parent()
    {
        delete myChild;
    }
};
class Child
{
private:
    Parent* myParent;
    
public:
    void setPartent(Parent* p)
    {
        this->myParent = p;
    }
    
    void doSomething()
    {
        if(this->myParent)
        {
        }
    }
    
    ~Child()
    {
        delete myParent;
    }
};
int main()
{
    {
        Parent* p = new Parent;
        Child* c =  new Child;
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        delete c;  //only delete one
    }
    return 0;
}

       循环引用内存泄露的问题

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#include <iostream>
#include <memory>
class Child;
class Parent;
class Parent
{
private:
    std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
    
public:
    void setChild(std::shared_ptr<Child> child)
    {
        this->ChildPtr = child;
    }
    
    void doSomething()
    {
        if(this->ChildPtr.use_count())
        {
        }
    }
    
    ~Parent()
    {
    }
};
class Child
{
private:
    std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
    
public:
    void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent)
    {
        this->ParentPtr = parent;
    }
    
    void doSomething()
    {
        if(this->ParentPtr.use_count())
        {
        }
    }
    
    ~Child()
    {
    }
};
int main()
{
    std::weak_ptr<Parent> wpp;
    std::weak_ptr<Child> wpc;
    {
        std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        std::shared_ptr<Child> c(new Child);
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        wpp = p;
        wpc = c;
        std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
        std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2
    }
    std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 1
    std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 1
    return 0;
}

       正确的做法

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#include <iostream>
#include <memory>
class Child;
class Parent;
class Parent
{
private:
    std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
    
public:
    void setChild(std::shared_ptr<Child> child)
    {
        this->ChildPtr = child;
    }
    
    void doSomething()
    {
        //new shared_ptr
        if(this->ChildPtr.lock())
        {
        }
    }
    
    ~Parent()
    {
    }
};
class Child
{
private:
    std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
    
public:
    void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent)
    {
        this->ParentPtr = parent;
    }
    
    void doSomething()
    {
        if(this->ParentPtr.use_count())
        {
        }
    }
    
    ~Child()
    {
    }
};
int main()
{
    std::weak_ptr<Parent> wpp;
    std::weak_ptr<Child> wpc;
    {
        std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        std::shared_ptr<Child> c(new Child);
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        wpp = p;
        wpc = c;
        std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
        std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
    }
    std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 0
    std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 0
    return 0;
}

智能指针的设计和实现

       下面是一个简单智能指针的demo。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。

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#include <iostream>
#include <memory>
template<typename T>
class SmartPointer
{
private:
    T* _ptr;
    size_t* _count;
public:
    SmartPointer(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr)
    {
        if(_ptr)
        {
            _count = new size_t(1);
        }
        else
        {
            _count = new size_t(0);
        }
    }
    
    SmartPointer(const SmartPointer& ptr)
    {
        if(this != &ptr)
        {
            this->_ptr = ptr._ptr;
            this->_count = ptr._count;
            (*this->_count)++;
        }
    }
    
    SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr)
    {
        if(this->_ptr == ptr._ptr)
        {
            return *this;
        }
        
        if(this->_ptr)
        {
            (*this->_count)--;
            if(this->_count == 0)
            {
                delete this->_ptr;
                delete this->_count;
            }
        }
        
        this->_ptr = ptr._ptr;
        this->_count = ptr._count;
        (*this->_count)++;
        return *this;
    }
    
    T& operator*()
    {
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return *(this->_ptr);
    }
    
    T* operator->()
    {
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return this->_ptr;
    }
    
    ~SmartPointer()
    {
        (*this->_count)--;
        if(*this->_count == 0)
        {
            delete this->_ptr;
            delete this->_count;
        }
    }
    
    size_t use_count()
    {
        return *this->_count;
    }
};
int main()
{
    {
        SmartPointer<int> sp(new int(10));
        SmartPointer<int> sp2(sp);
        SmartPointer<int> sp3(new int(20));
        sp2 = sp3;
        std::cout << sp.use_count() << std::endl;
        std::cout << sp3.use_count() << std::endl;
    }
    //delete operator
}

本文标题:C++11 中智能指针的原理、使用、实现

文章作者:Greedysky

发布时间:2020年04月20日 - 20时15分

最后更新:2022年12月04日 - 21时24分

原始链接:http://greedysky.github.io/2020/04/20/C++11中智能指针的原理详解/

许可协议: "署名-非商用-相同方式共享 3.0" 转载请保留原文链接及作者。

文章目录
  1. 1. 前言
  2. 2. 智能指针的作用
  3. 3. 智能指针的使用
    1. 3.1. shared_ptr的使用
    2. 3.2. unique_ptr的使用
    3. 3.3. weak_ptr的使用
    4. 3.4. 循环引用
  4. 4. 智能指针的设计和实现