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一篇文章带你了解C++智能指针详解

作者:z向前

这篇文章主要介绍了c++ 智能指针基础的相关资料,帮助大家更好的理解和学习使用c++,感兴趣的朋友可以了解下,希望能给你带来帮助

为什么要有智能指针?

因为普通的指针存在以下几个问题:

资源泄漏示例代码:

int main(){
	int *p = new int;
	*p = 1;
	p = new int; // 未释放之前申请的资源,导致内存泄漏 
	delete p;
	
	return 0;
}

野指针示例代码:

int main(){
	int *p1 = new int;
	int *p2 = p1;
	delete p1; 
	*p2 = 1; // 申请的内存已经被释放掉了,  
	
	return 0;
}
int main(){
	int *p;
	*p = 1; // 程序直接报错, 使用了未初始化的变量
	return 0;
}

解决方法:智能指针

智能指针的使用及原理

RALL

RALL(Resource Acquistion 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)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。相当于利用 对象 管理了一份资源。这样的优势在于

1.不需要显式的释放资源(对象析构时,自动释放资源)

2.采用这种方式,对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。

智能指针就是一个实例出来的对象

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。但是 auto_ptr存在当对象拷贝或者赋值之后,前面的对象就悬空了。

C++11 提供更靠谱的并且支持拷贝的 shared_ptr

shared_ptr :

通过引用计数的方式实现多个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

unique_ptr :

确保一个对象同一时刻只能被一个智能指针引用,可以转移所有权(可以从一个智能指针转移到另一个智能指针)

auto_ptr :

C++11 已弃用, 与unique_ptr 类似

使用时,需包含头文件

 #include <memory>

shared_ptr的使用注意事项

创建

1. 
shared_ptr<int> ptr{new int(3)};
2.
shared_ptr<int> ptr;
ptr.reset(new int(3));
3.
shared_ptr<int> ptr = make_shared<int>(3);

shared_ptr 支持使用比较运算符,使用时,会调用共享指针内部封装的原始指针的比较运算符。

支持

==、!=、<、<=、>、>=

使用 比较运算符 的前提 必须是 同类型

示例:

shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(1);
shared_ptr<int> p2 = make_shared<int>(2);
shared_ptr<int> p3;
shared_ptr<double> p4 = make_shared<double>(1);

bool b1 = p1 < p2; 		// true
bool b2 = p1 > p3;		// true, 非NULL 指针与 NULL 指针相比 ,都是大于
bool b3 = p3 == p3;		// true
bool b4 = p4 < p2		// 编译失败,类型不一致

shared_ptr 可以使用强制类型转换,但是不能使用普通的强制类型转换符

1.shared_ptr 强制类型转换符 允许将其中包含的指针强制转换为其它类型

2.不能使用普通的强制类型转换运算符,否则会导致未定义行为

3.shared_ptr 的强制类型转换运算符包括
static_pointer_cast
dynamic_pointer_cast
const_pointer_cast

示例:

shared_ptr<void> p(new int);	// 内部保留 void* 指针
static_pointer_cast<int*>(p);	// 正确的 强制类型转换方式
shared_ptr<int> p1(static_cast<int*>(p.get()));	// 错误的强制类型转换方式,未定义错误

多个 shared_ptr 不能拥有同一个对象

利用代码理解

示例:

class Mytest{
public:
	Mytest(const string& str)
	:_str(str){}
	~Mytest(){
		std::cout << _str << "destory" << std::endl;
	}
private:
	string _str;
};

int main(){
	Mytest* p = new Mytest("shared_test");
	shared_ptr<Mytest> p1(p); 	// 该对象可以正常析构
	shared_ptr<Mytest> p2(p); // 对象销毁时,错误,读取位置 0xDDDDDDDD 时发生访问冲突。
	return 0;
}

上述代码, 共享指针 p1 对象在程序 结束时,调用析构,释放了p 所指向的空间, 当 p2 进行析构的时候,又释放p所指向的空间, 但是由于已经释放过了, 重复释放已经释放过的内存,导致段错误。

可以使用 shared_from_this 避免这种问题

改进代码:

class Mytest:public enable_shared_from_this<Mytest> {
public:
    Mytest(const string& str)
        :_str(str) {}
    ~Mytest() {
        std::cout << _str << "destory" << std::endl;
    }
    shared_ptr<Mytest> GetSharedptr() {
        return shared_from_this();
    }
private:
    string _str;
};
int main() {
    Mytest* p = new Mytest("shared_test");
    shared_ptr<Mytest> p1(p);
    shared_ptr<Mytest> p2 = p->GetSharedptr(); // 正确做法
    
    return 0;
}

shared_ptr 的销毁

shared_ptr 在初始化的时候,可以定义删除器,删除器可以定义为 普通函数、匿名函数、函数指针等符合要求的可调用对象

示例代码:

void delFun(string* p) {
    std::cout << "Fun delete " << *p << endl;
    delete p;
}
int main() {

    std::cout << "begin" << std::endl;
    shared_ptr<string> p1;
    {
        shared_ptr<string> p2(new string("p1"), [](string* p) {
            std::cout << "Lamda delete " << *p << std::endl;
            delete p;
        });
        p1 = p2;
        shared_ptr<string> p3(new string("p3"), delFun);
    }
    std::cout << "end" << std::endl;
    return 0;
}

执行结果:

begin
Fun delete p3
end
Lamda deletep1

分析结果:

首先 ,p3在{ }作用域内 ,生命周期最先结束,调用delFun作为删除器

其次,p2 也在{ } 作用域内,生命周期也结束了,但是因为 p1 和 p2 指向了同一个对象,所以p2 销毁只是将其 对象 引用计数 -1。

最后,程序运行结束,p1销毁,其对象引用计数-1 变为0,调用 删除器,销毁对象。

shared_ptr<char> p(new char[10]); // 编译能够通过,但是会造成资源泄漏
// 正确做法
shared_ptr<char> p(new char[10], [](char* p){
	delete p[];
	});
// 正确做法
shared_ptr<char> p(new char[10], default_delete<char[]>());

shared_ptr 存在的问题:

1.循环引用
不同对象相互引用,形成环路

2.想要共享但是不想拥有对象

shared_ptr 的线程安全问题

1. shared_ptr 对象中引用计数是多个shared_ptr对象共享的,两个线程中shared_ptr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.shared_ptr 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。

// 1.因为线程安全问题是偶现性问题,main函数的n改大一些概率就变大了,就
容易出现了。
void SharePtrFunc(shared_ptr<Date>& sp, size_t n)
{
	cout << sp.Get() << endl;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		// 这里智能指针拷贝会++计数,智能指针析构会--计数,这里是线程安全的。
		shared_ptr<Date> copy(sp);
		// 这里智能指针访问管理的资源,不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n次,但是最终看到的结果,并一定是加了2n
		copy->_year++;
		copy->_month++;
		copy->_day++;
	}
}
int main()
{
	shared_ptr<Date> p(new Date);
	cout << p.Get() << endl;
	const size_t n = 100;
	thread t1(SharePtrFunc, p, n);
	thread t2(SharePtrFunc, p, n);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << p->_year << endl;
	cout << p->_month << endl;
	cout << p->_day << endl;
	return 0;
}

shared_ptr 的循环引用

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

循环引用代码分析:

node1和node2两个智能指针对象指向两个节点,引用计数变成1,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。

在这里插入图片描述

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:

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;
}

unique_ptr

unique_ptr的使用

unique_ptr 定义了*、-> 运算符,没有定义 ++ 之类的指针算法

unique_ptr 不允许使用赋值语法进行初始化,必须使用普通指针直接初始化

unique_ptr 可以为 空

unique_ptr 不能使用普通的复制语义赋值, 可以使用 C++11 的 move() 函数

unique_ptr 获得新对象时,会销毁之前的对象

unique_ptr 防止拷贝的原理:

// C++98防拷贝的方式:只声明不实现+声明成私有
UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
// C++11防拷贝的方式:delete
UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;

总结

本篇文章就到这里了,希望能给你带来帮助,也希望您能够多多关注脚本之家的更多内容!

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