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C++ 一篇文章让你知道智能指针的魅力

发布于2021-06-07 20:49 阅读(1084) 评论(0) 点赞(5) 收藏(3)

前情提要

我们知道除了静态内存和栈内存外，每个程序还有一个内存池，这部分内存被称为自由空间或者堆。程序用堆来存储动态分配的对象即那些在程序运行时分配的对象，当动态对象不再使用时，我们的代码必须显式的销毁它们。

在C++中，动态内存的管理是用一对运算符完成的：new和delete，ne:在动态内存中为对象分配一块空间并返回一个指向该对象的指针，delete指向一个动态独享的指针，销毁对象，并释放与之关联的内存。

动态内存管理经常会出现两种问题：一种是忘记释放内存，会造成内存泄漏；一种是尚有指针引用内存的情况下就释放了它，就会产生引用非法内存的指针。

为了更加容易（更加安全）的使用动态内存，引入了智能指针的概念。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象

智能指针的原理

RAII：利用对象生命周期来控制程序资源。主要是通过对象的构造函数来获得资源的管理权，然后再通过析构函数来释放所管理的资源。其原理就是把管理一份资源的责任托管给了一个对象

//RAII
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	//构造函数获取资源管理权
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	//通过析构函数释放资源
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

class A
{
private:
	int _a = 10;
};

void test()
{
	//错误写法
	int* ptr = new int[10];
	SmartPtr<int> sp(ptr);
	//立即初始化--申请资源时就立即绑定资源
	SmartPtr<int> sp2(new int);
	SmartPtr<A> sp3(new A);
}

这并不是一个智能指针对象，智能指针应该要满足以下条件

实现RAII思想
使用方式和指针一样，例如需要支持*解引用和->操作

应在类中添加以下操作的重载


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

智能指针和普通的指针的区别之一是智能指针不需要手动释放空间

void test()
{
	//智能指针--编译器调用析构自动释放资源--不存在内存泄漏
	SmartPtr<A> sp(new A);
	(*sp)._a = 10;
	sp->_a = 100;

	//普通指针--手动释放内存
	int* p = new int;
	A* pa = new A;
	*p = 1;
	pa->_a = 10;
	//return  //提前结束普通指针就会导致内存泄漏
	delete p;
	delete pa;
}

C++标准库中的智能指针的使用

库中的智能指针分为 auto_ptr、unique_ptr、 share_ptr
他们都需要引入头文件#include <memory>才能使用

auto_ptr

auto_ptr是一种存在缺陷的智能指针（禁用）

#include <memory>
using namespace std;
void test()
{
	auto_ptr<int> ap(new int);
	auto_ptr<int> ap2(new int(2));
	*ap = 10;
	*ap2 = 20;
}

auto_ptr指针进行赋值操作时会将资源进行转移，目的是为了防止多个智能指针指向同一块内存资源。但是这种设计显然不符合我们的需求
在这里插入图片描述
我们来简单模拟实现auto_ptr，看他底层是如何进行资源权的转移的

//实现auto_ptr
template<class T>
class Auto_ptr
{
public:
	Auto_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~Auto_ptr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}

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

	Auto_ptr(Auto_ptr<T>& ap)
		:_ptr(ap._ptr)
	{
		//资源管理权转移 
		ap._ptr = nullptr;
	}

	Auto_ptr<T>& operator=(Auto_ptr<T>& ap)
	{
		if (this != &ap)
		{
			if (_ptr)
				delete _ptr;
			//资源管理权转移 
			_ptr = ap._ptr;
			ap._ptr = nullptr;
		}
		return *this;
	}
private:
	T* _ptr;
};

unique_ptr

unique_ptr智能指针是通过防拷贝来解决资源管理权限转移问题----将unique_ptr赋值运算符函数和拷贝构造函数设置为删除函数

void test()
{
	unique_ptr<int> up(new int(10));
	unique_ptr<int> up2(up);//error
	unique_ptr<int> up3(new int(20));
	up = up3; //error
}

报错原因：拷贝构造和赋值重载函数都是已经删除的函数
在这里插入图片描述
底层实现：

template<class T>
class Unique_ptr
{
public:
	Unique_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	Unique_ptr(const Unique_ptr<T>& up) = delete;
	Unique_ptr<T>& operator=(const Unique_ptr<T>& up) = delete;

	~Unique_ptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}
private:
	T* _ptr;
};

shared_ptr

shared_ptr是C++11中新提供的一种智能指针，不仅解决了资源管理权限转移问题，还提供靠谱的拷贝功能

class A
{
public:
	int _a = 10;
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};

void test()
{
	shared_ptr<A> sp(new A);
	shared_ptr<A> sp2(new A);
	shared_ptr<A> sp3(sp2);//ok
	sp3 = sp;//ok
	sp->_a = 100;
	sp2->_a = 1000;
	sp3->_a = 10000;
	cout << sp->_a << endl;
	cout << sp2->_a << endl;
	cout << sp3->_a << endl;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
我们发现申请多少资源就会释放多少资源，此时的sp和sp3共享一份资源，修改sp3也就相等于修改了sp。所以最终都会打印10000。那共享了一份资源，是如何实现资源只释放一次呢？----引用计数

我们可以通过shared_ptr提供的接口use_count()来查看，当前有多少个智能指针来管理同一份资源

void test()
{
	shared_ptr<A> sp(new A);
	cout << sp.use_count() << endl;//1
	shared_ptr<A> sp2(sp);
	cout << sp.use_count() << endl;//2
	cout << sp2.use_count() << endl;//2
	shared_ptr<A> sp3(new A);
	cout << sp.use_count() << endl;//2
	cout << sp2.use_count() << endl;//2
	cout << sp3.use_count() << endl;//1
	sp3 = sp;
	sp3 = sp2;
	cout << sp.use_count() << endl;//2
	cout << sp2.use_count() << endl;//2
	cout << sp3.use_count() << endl;//2
}

运行截图：之所以中间会有调析构函数，是因为当sp3指向sp时，sp3的引用计数为0，则会调用析构函数来释放资源。此时sp创建的资源就有3个指智能指针来管理
在这里插入图片描述
图解：

在实现时，我们应该确保一个资源只对应一个计数器，而不是每个智能指针都有各自的计数器。所以我们可以将资源和计数器绑定在一起，此时指向同一份资源的智能指针，访问的也都是同一个计数器
成员变量：成员变量应该有两个变量，分别是资源指针的变量_ptr和计数器变量_countPtr，他们都是一个指针类型的变量
拷贝构造函数：在拷贝构造函数中，应该将当前对象的指针指向要拷贝的对象的资源，而且还要拷贝它的计数器，最后还需要将计数器进行++
赋值运算符重载：我们不能判断两个对象是否相等，而应该为只要两个对象的资源不同，那么才需要进行赋值。在赋值中，先让当前对象的计数器进行–，如果为0则表示当前对象的资源是只被当前对象管理，则需要释放资源。然后再将当前对象指针修改为要拷贝的对象的资源，并且拷贝它的计数器。最后还要对计数器进行++操作
析构函数：判断当前对象的资源的计数器，先进行–操作，在判断计数器是否为0，如果为0才会将资源释放，不为0则什么都不做

template<class T>
class Shared_ptr
{
public:
	Shared_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
		, _countPtr(new size_t(1))//初始化为1
	{}
	Shared_ptr(const Shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _countPtr(sp._countPtr)
	{
		//计数器累加
		++(*_countPtr);
	}
	Shared_ptr<T> operator=(const Shared_ptr<T>& sp)
	{
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			//本身计数器自减
			//计数器为0，则当前对象需要释放资源
			if (--(*_countPtr) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _countPtr;
			}

			_ptr = sp._ptr;
			_countPtr = sp._countPtr;

			++(*_countPtr);
		}
		return *this;
	}

	~Shared_ptr()
	{
		//计数器自减
		if (--(*_countPtr) == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _countPtr;
			_ptr = nullptr;
			_countPtr = nullptr;
		}
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
	size_t* _countPtr;//计数器指针
};

我们实现的shared_ptr智能指针在多线程的场景下其实是不存在线程安全问题的----引用计数器指针是一个共享变量，多个线程进行修改时会导致计数器混乱。导致资源提前被释放或者会产生内存泄漏问题
我们来看看一下代码，如果是安全的，那么最后析构函数应该只被调用一次

void fun(const Shared_ptr<A>& sp, int n)
{
	for (int i = 0; i < n; ++i)
		Shared_ptr<A> copy(sp);//创建copy智能指针
}

void test()
{
	Shared_ptr<A> sp(new A);
	int n = 100000;
	thread t1(fun, ref(sp), n);
	thread t2(fun, ref(sp), n);
	t1.join();
	t2.join();
}

运行结果1：我们发现并没有调用对象的析构函数，说明此时产生了内存泄漏的问题
在这里插入图片描述
运行结果2：调用两次析构函数，也就说明一份资源被释放两次。

我们可以在类中提供获取计数器的值的接口

	size_t getCount()
	{
		return *_countPtr;
	}

然后再代码中运行并获取计数器的值，发现计数器的值并没有为0，所以就不会调用调用析构函数

在这里插入图片描述
所以我们可以在修改计数器的地方进行加锁保护。而这个锁不能为全局变量的锁，资源之间不能被有影响，否则当一个资源进行加锁修改时，另一个资源会被收到影响，此时会影响代码的执行效率。应当给每一个计数器提供单独的锁
这里++操作和–操作都进行封装

template<class T>
class Shared_ptr
{
public:
	Shared_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
		, _countPtr(new size_t(1))//初始化为1
		, _mtx(new mutex)
	{}
	Shared_ptr(const Shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _countPtr(sp._countPtr)
		,_mtx(sp._mtx)
	{
		//计数器累加
		//++(*_countPtr);
		addCount();
	}
	Shared_ptr<T> operator=(const Shared_ptr<T>& sp)
	{
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			//本身计数器自减
			//计数器为0，则当前对象需要释放资源
			//if (--(*_countPtr) == 0)
			if (subCount() == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _countPtr;
				delete _mtx;
			}

			_ptr = sp._ptr;
			_countPtr = sp._countPtr;

			addCount();
		}
		return *this;
	}

	~Shared_ptr()
	{
		//计数器自减
		if (subCount() == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _countPtr;
			delete _mtx;
			_ptr = nullptr;
			_countPtr = nullptr;
			_mtx = nullptr;
		}
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	size_t getCount()
	{
		return *_countPtr;
	}

	size_t addCount()
	{
		_mtx->lock();
		++(*_countPtr);
		_mtx->unlock();
		return *_countPtr;
	}

	size_t subCount()
	{
		_mtx->lock();
		--(*_countPtr);
		_mtx->unlock();
		return *_countPtr;
	}
private:
	T* _ptr;
	size_t* _countPtr;//计数器指针
	mutex* _mtx;
};

运行结果：我们发现多线程场景下，也是都可以正常释放的
在这里插入图片描述

循环引用问题

shared_ptr其实也存在一些小问题，也就是循环引用问题
我们先来看看以下代码

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

	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};

void test()
{
	shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;

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

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
}

运行结果：我们发现并没有释放资源，计数器也在自增
在这里插入图片描述
图解：

在C++11中，专门为了解决这个问题，又引入了一种新的智能指针waek_ptr，这种指针称为弱指针。在赋值或者拷贝的时候，计数器并不会进行++。析构时也并不会进行真正资源的释放。waek_ptr不能单独使用，其最大的作用就是解决shared_ptr循环引用的问题。

struct ListNode
{
	weak_ptr<ListNode> _next;
	weak_ptr<ListNode> _prev;
	int _data;

	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};

void test()
{
	shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;

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

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
在我们自己实现的shared_ptr中，我们在释放资源时都单单以delete来释放，而在我们申请空间方式中并非就只用new来申请空间们也有可能是用malloc来申请，则此时就应该要用free来释放。所以我们还要给智能指针添加一个删除器

void test()
{
	Shared_ptr<A> sp(new A[100]);//调用析构会报错
}

删除器主要可以通过仿函数来实现

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

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

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

template<class T, class Del = DeleteDel<T>>
class Shared_ptr
{
public:
	Shared_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
		, _countPtr(new size_t(1))//初始化为1
		, _mtx(new mutex)
	{}
	Shared_ptr(const Shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _countPtr(sp._countPtr)
		,_mtx(sp._mtx)
	{
		//计数器累加
		//++(*_countPtr);
		addCount();
	}
	Shared_ptr<T> operator=(const Shared_ptr<T>& sp)
	{
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			//本身计数器自减
			//计数器为0，则当前对象需要释放资源
			//if (--(*_countPtr) == 0)
			if (subCount() == 0)
			{
				//delete _ptr;
				//通过删除器来释放空间
				_del(_ptr);
				delete _countPtr;
				delete _mtx;
			}

			_ptr = sp._ptr;
			_countPtr = sp._countPtr;

			addCount();
		}
		return *this;
	}

	~Shared_ptr()
	{
		//计数器自减
		if (subCount() == 0)
		{
			//delete _ptr;
			//通过删除器来释放空间
			_del(_ptr);
			delete _countPtr;
			delete _mtx;
			_ptr = nullptr;
			_countPtr = nullptr;
			_mtx = nullptr;
		}
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	size_t getCount()
	{
		return *_countPtr;
	}

	size_t addCount()
	{
		_mtx->lock();
		++(*_countPtr);
		_mtx->unlock();
		return *_countPtr;
	}

	size_t subCount()
	{
		_mtx->lock();
		--(*_countPtr);
		_mtx->unlock();
		return *_countPtr;
	}
private:
	T* _ptr;
	size_t* _countPtr;//计数器指针
	mutex* _mtx;
	Del _del;
};