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C++学习之智能指针中的unique_ptr与shared_ptr

作者：会玩code

吃独食的unique_ptr与乐于分享的shared_ptr是C++中常见的两个智能指针，本文主要为大家介绍了这两个指针的使用以及智能指针使用的原因，希望对大家有所帮助

为什么需要智能指针

在上一讲《01 C++如何进行内存资源管理》中，提到了对于堆上的内存资源，需要我们手动分配和释放。管理这些资源是个技术活，一不小心，就会导致内存泄漏。

我们再给两段代码，切身体验下原生指针管理内存的噩梦。

void foo(int n) {
    int* ptr = new int(42);
    ...
    if (n > 5) {
	    return;
    }
    ...
    delete ptr;
}
void other_fn(int* ptr) {
	...
};
void bar() {
    int* ptr = new int(42);
    other_fn(ptr);
    // ptr == ?
}

在foo函数中，如果入参n > 5, 则会导致指针ptr的内存未被正确释放，从而导致内存泄漏。

在bar函数中，我们将指针ptr传递给了另外一个函数other_fn，我们无法确定other_fn有没有释放ptr内存，如果被释放了，那ptr将成为一个悬空指针，bar在后续还继续访问它，会引发未定义行为，可能导致程序崩溃。

上面由于原生指针使用不当导致的内存泄漏、悬空指针问题都可以通过智能指针来轻松避免。

C++智能指针是一种用于管理动态分配内存的指针类。基于RAII设计理念，通过封装原生指针实现的。可以在资源（原生指针对应的对象）生命周期结束时自动释放内存。

C++标准库中，提供了两种最常见的智能指针类型，分别是std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。
接下来我们分别详细展开介绍。

吃独食的unique_ptr

std::unique_ptr 是 C++11 引入的智能指针，用于管理动态分配的内存。每个 std::unique_ptr 实例都拥有对其所包含对象的唯一所有权，并在其生命周期结束时自动释放对象。

创建unique_ptr对象

我们可以std::unique_ptr的构造函数或std::make_unique函数（C++14支持）来创建一个unique_ptr对象，在超出作用域时，会自动释放所管理的对象内存。示例代码如下：

#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};
int main() {
	std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass);
	// C++14开始支持std::make_unique
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::make_unique<int>(10);
    return 0;
}

代码输出：

MyClass constructed
MyClass destroyed

访问所管理的对象

我们可以像使用原生指针的方式一样，访问unique_ptr所指向的对象。也可以通过get函数获取到原生指针。

MyClass* naked_ptr = ptr1.get();
std::cout << *ptr2 << std::endl; // 输出 10

释放/重置所管理的对象

使用reset函数可以释放unique_ptr所管理的对象，并将其指针重置为nullptr或指定的新指针。reset`大概实现原理如下

template<class T> 
void unique_ptr<T>::reset(pointer ptr = pointer()) noexcept { 
	// 释放指针指向的对象
	delete ptr_; 
	// 重置指针
	ptr_ = ptr;
}

该函数主要完成两件事：

code show time:

#include <iostream>
#include <memory>
class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }
    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};
int main() {
    // 创建一个 std::unique_ptr 对象，指向一个 MyClass 对象
    std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass);
    // 调用 reset，将 std::unique_ptr 重置为管理另一个 MyClass 对象
    ptr.reset(new MyClass);
    return;
}

移动所有权

一个对象资源只能同时被一个unique_ptr管理。当尝试把一个unique_ptr直接赋值给另外一个unique_ptr会编译报错。

#include <memory>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 编译报错
    return 0;
}

为了把一个 std::unique_ptr 对象的所有权移动到另一个对象中，我们必须配合std::move移动函数。

#include <memory>
#include <iostream>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // ok
    std::cout << *p2 << std::endl; // 42
    std::cout << (p1.get() == nullptr) << std::endl; // true
    return 0;
}

这个例子中， 我们把p1通过std::move将其管理对象的所有权转移给了p2, 此时p2接管了对象，而p1不再拥有管理对象的所有权，即无法再操作到该对象了。

乐于分享的shared_ptr

shared_ptr是C++11提供的另外一种常见的智能指针，与unique_ptr独占对象方式不同，shared_ptr是一种共享式智能指针，允许多个shared_ptr指针共同拥有同一个对象，采用引用计数的方式来管理对象的生命周期。当所有的 shared_ptr 对象都销毁时，才会自动释放所管理的对象。

创建shared_ptr对象

同样的，C++也提供了std::shared_ptr构造函数和std::make_shared函数来创建std::shared_ptr对象。

#include <memory>
int main() {
	std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
	std::shared_ptr<int> p2 = std::make_shared<int>(20);
	return;
}

多个shared_ptr共享一个对象

可以通过赋值操作实现多个shared_ptr共享一个资源对象，例如

std::shared_ptr<int>p3 = p2;

shared_ptr采用引用计数的方式管理资源对象的生命周期，通过分配一个额外内存当计数器。

当一个新的shared_ptr被创建时，它对应的计数器被初始化为1。每当赋值给另外一个shared_ptr共享同一个对象时，计数器值会加1。当某个shared_ptr被销毁时，计数值会减1，当计数值变为0时，说明没有任何shared_ptr引用这个对象，会将对象进行回收。

C++提供了use_count函数来获取std::shared_ptr所管理对象的引用计数，例如

std::cout << "p1 use count: " << p1.use_count() << std::endl;

释放/重置所管理的对象

可以使用reset函数来释放/重置shared_ptr所管理的对象。大概实现原理如下（不考虑并发场景）

void reset(T* ptr = nullptr) {
	if (ref_count != nullptr) { 
		(*ref_count)--;
		if (*ref_count == 0) { 
			delete data; 
			delete ref_count; 
		} 
	} 
	data = ptr; 
	ref_count = (data == nullptr) ? nullptr : new size_t(1); 
}

data指针来存储管理的资源，指针ref_count 来存储计数器的值。

在 reset 方法中，需要减少计数器的值，如果计数器减少后为 0，则需要释放管理的资源，如果减少后不为0，则不会释放之前的资源对象。

如果reset指定了新的资源指针，则需要重新设置 data 和 ref_count，并将计数器初始化为 1。否则，将计数器指针置为nullptr

shared_ptr使用注意事项

避免循环引用

由于 shared_ptr 具有共享同一个资源对象的能力，因此容易出现循环引用的情况。例如：

struct Node { 
	std::shared_ptr<Node> next; 
};
int main() {
	std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
	node1->next = node2; 
	node2->next = node1;
}

在上述代码中，node1 和 node2 互相引用，在析构时会发现计数器的值不为0，不会释放所管理的对象，产生内存泄漏。

为了避免循环引用，可以将其中一个指针改为 weak_ptr 类型。weak_ptr也是一种智能指针，通常配合shared_ptr一起使用。

weak_ptr是一种弱引用，不对所指向的对象进行计数引用，也就是说，不增加所指对象的引用计数。当所有的shared_ptr都析构了，不再指向该资源时，该资源会被销毁，同时对应的所有weak_ptr都会变成nullptr，这时我们就可以利用expired()方法来判断这个weak_ptr是否已经失效。

我们可以通过weak_ptr的lock()方法来获得一个指向共享对象的shared_ptr。如果weak_ptr已经失效，lock()方法将返回一个空的shared_ptr。

下面是weak_ptr的基本使用示例：

#include <iostream>
#include <memory>
int main() {
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
    // 创建shared_ptr对应的weak_ptr指针
    std::weak_ptr<int> wp(sp);
	// 通过lock创建一个对应的shared_ptr
    if (auto p = wp.lock()) {
        std::cout << "shared_ptr value: " << *p << std::endl;
        std::cout << "shared_ptr use_count: " << p.use_count() << std::endl;
    } else {
        std::cout << "wp is expired" << std::endl;
    }
	// 释放shared_ptr指向的资源，此时weak_ptr失效
    sp.reset();
    std::cout << "wp is expired: " <<  wp.expired() << std::endl;
    return 0;
}

代码输出如下

shared_ptr value: 42
shared_ptr use_count: 2
wp is expired: 1

回到shared_ptr的循环引用问题，利用weak_ptr不会增加shared_ptr的引用计数的特点，我们将Node.next的类型改为weak_ptr, 避免node1和node2互相循环引用。修改后代码如下

```cpp
struct Node { 
	std::weak_ptr<Node> next; 
};
int main() {
	std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
	node1->next = std::weak_ptr<Node>(node2); 
	node2->next = std::weak_ptr<Node>(node1); ;
}

避免裸指针与shared_ptr混用

先看看以下代码

int* q = new int(9);
{
	std::shared_ptr<int> p(new int(10));
	...
	q = p.get();
}
std::cout << *q << std::endl;

get函数返回 std::shared_ptr 所持有的指针，但是不会增加引用计数。所以在shared_ptr析构时，将该指针指向的对象给释放掉了，导致指针q变成一个悬空指针。

避免一个原始指针初始化多个shared_ptr

int* p = new int(10);
std::shared_ptr<int> ptr1(p);
// error: 两个shared_ptr指向同一个资源，会导致重复释放
std::shared_ptr<int> ptr2(p);

总结

避免手动管理内存带来的繁琐和容易出错的问题。我们今天介绍了三种智能指针：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。
每种智能指针都有各自的使用场景。unique_ptr用于管理独占式所有权的对象，它不能拷贝但可以移动，是最轻量级和最快的智能指针。shared_ptr用于管理多个对象共享所有权的情况，它可以拷贝和移动。weak_ptr则是用来解决shared_ptr循环引用的问题。

到此这篇关于C++学习之智能指针中的unique_ptr与shared_ptr的文章就介绍到这了,更多相关C++智能指针内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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