详解C++11智能指针
詳解C++11智能指針
前言
C++里面的四個(gè)智能指針: auto_ptr, unique_ptr,shared_ptr, weak_ptr 其中后三個(gè)是C++11支持，并且第一個(gè)已經(jīng)被C++11棄用。
C++11智能指針介紹
智能指針主要用于管理在堆上分配的內(nèi)存，它將普通的指針?lè)庋b為一個(gè)棧對(duì)象。當(dāng)棧對(duì)象的生存周期結(jié)束后，會(huì)在析構(gòu)函數(shù)中釋放掉申請(qǐng)的內(nèi)存，從而防止內(nèi)存泄漏。C++ 11中最常用的智能指針類型為shared_ptr,它采用引用計(jì)數(shù)的方法，記錄當(dāng)前內(nèi)存資源被多少個(gè)智能指針引用。該引用計(jì)數(shù)的內(nèi)存在堆上分配。當(dāng)新增一個(gè)時(shí)引用計(jì)數(shù)加1，當(dāng)過(guò)期時(shí)引用計(jì)數(shù)減一。只有引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，智能指針才會(huì)自動(dòng)釋放引用的內(nèi)存資源。對(duì)shared_ptr進(jìn)行初始化時(shí)不能將一個(gè)普通指針直接賦值給智能指針，因?yàn)橐粋€(gè)是指針，一個(gè)是類。可以通過(guò)make_shared函數(shù)或者通過(guò)構(gòu)造函數(shù)傳入普通指針。并可以通過(guò)get函數(shù)獲得普通指針。
為什么要使用智能指針
智能指針的作用是管理一個(gè)指針，因?yàn)榇嬖谝韵逻@種情況：申請(qǐng)的空間在函數(shù)結(jié)束時(shí)忘記釋放，造成內(nèi)存泄漏。使用智能指針可以很大程度上的避免這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橹悄苤羔樉褪且粋€(gè)類，當(dāng)超出了類的作用域是，類會(huì)自動(dòng)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)會(huì)自動(dòng)釋放資源。所以智能指針的作用原理就是在函數(shù)結(jié)束時(shí)自動(dòng)釋放內(nèi)存空間，不需要手動(dòng)釋放內(nèi)存空間。
auto_ptr
（C++98的方案，C++11已經(jīng)拋棄）采用所有權(quán)模式。
auto_ptr<string> p1 (new string ("I reigned lonely as a cloud.")); auto_ptr<string> p2; p2 = p1; //auto_ptr不會(huì)報(bào)錯(cuò).此時(shí)不會(huì)報(bào)錯(cuò)，p2剝奪了p1的所有權(quán)，但是當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)訪問(wèn)p1將會(huì)報(bào)錯(cuò)。所以auto_ptr的缺點(diǎn)是：存在潛在的內(nèi)存崩潰問(wèn)題！
unique_ptr
（替換auto_ptr）unique_ptr實(shí)現(xiàn)獨(dú)占式擁有或嚴(yán)格擁有概念，保證同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)智能指針可以指向該對(duì)象。它對(duì)于避免資源泄露(例如“以new創(chuàng)建對(duì)象后因?yàn)榘l(fā)生異常而忘記調(diào)用delete”)特別有用。
采用所有權(quán)模式，還是上面那個(gè)例子
unique_ptr<string> p3 (new string ("auto")); //#4 unique_ptr<string> p4； //#5 p4 = p3;//此時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)！！編譯器認(rèn)為p4=p3非法，避免了p3不再指向有效數(shù)據(jù)的問(wèn)題。嘗試復(fù)制p3時(shí)會(huì)編譯期出錯(cuò)，而auto_ptr能通過(guò)編譯期從而在運(yùn)行期埋下出錯(cuò)的隱患。因此，unique_ptr比auto_ptr更安全。
另外unique_ptr還有更聰明的地方：當(dāng)程序試圖將一個(gè) unique_ptr 賦值給另一個(gè)時(shí)，如果源 unique_ptr 是個(gè)臨時(shí)右值，編譯器允許這么做；如果源 unique_ptr 將存在一段時(shí)間，編譯器將禁止這么做，比如：
unique_ptr<string> pu1(new string ("hello world")); unique_ptr<string> pu2; pu2 = pu1; // #1 不允許 unique_ptr<string> pu3; pu3 = unique_ptr<string>(new string ("You")); // #2 允許其中#1留下懸掛的unique_ptr(pu1)，這可能導(dǎo)致危害。而#2不會(huì)留下懸掛的unique_ptr，因?yàn)樗{(diào)用 unique_ptr 的構(gòu)造函數(shù)，該構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建的臨時(shí)對(duì)象在其所有權(quán)讓給 pu3 后就會(huì)被銷毀。這種隨情況而已的行為表明，unique_ptr 優(yōu)于允許兩種賦值的auto_ptr 。
注：如果確實(shí)想執(zhí)行類似與#1的操作，要安全的重用這種指針，可給它賦新值。C++有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)std::move()，讓你能夠?qū)⒁粋€(gè)unique_ptr賦給另一個(gè)。盡管轉(zhuǎn)移所有權(quán)后 還是有可能出現(xiàn)原有指針調(diào)用（調(diào)用就崩潰）的情況。但是這個(gè)語(yǔ)法能強(qiáng)調(diào)你是在轉(zhuǎn)移所有權(quán)，讓你清晰的知道自己在做什么，從而不亂調(diào)用原有指針。
（額外：boost庫(kù)的boost::scoped_ptr也是一個(gè)獨(dú)占性智能指針，但是它不允許轉(zhuǎn)移所有權(quán)，從始而終都只對(duì)一個(gè)資源負(fù)責(zé)，它更安全謹(jǐn)慎，但是應(yīng)用的范圍也更狹窄。）
例如：
unique_ptr<string> ps1, ps2; ps1 = demo("hello"); ps2 = move(ps1); ps1 = demo("alexia"); cout << *ps2 << *ps1 << endl;shared_ptr
shared_ptr實(shí)現(xiàn)共享式擁有概念。多個(gè)智能指針可以指向相同對(duì)象，該對(duì)象和其相關(guān)資源會(huì)在“最后一個(gè)引用被銷毀”時(shí)候釋放。從名字share就可以看出了資源可以被多個(gè)指針共享，它使用計(jì)數(shù)機(jī)制來(lái)表明資源被幾個(gè)指針共享。可以通過(guò)成員函數(shù)use_count()來(lái)查看資源的所有者個(gè)數(shù)。除了可以通過(guò)new來(lái)構(gòu)造，還可以通過(guò)傳入auto_ptr, unique_ptr,weak_ptr來(lái)構(gòu)造。當(dāng)我們調(diào)用release()時(shí)，當(dāng)前指針會(huì)釋放資源所有權(quán)，計(jì)數(shù)減一。當(dāng)計(jì)數(shù)等于0時(shí)，資源會(huì)被釋放。
shared_ptr 是為了解決 auto_ptr 在對(duì)象所有權(quán)上的局限性(auto_ptr 是獨(dú)占的), 在使用引用計(jì)數(shù)的機(jī)制上提供了可以共享所有權(quán)的智能指針。
成員函數(shù)：
use_count 返回引用計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)
unique 返回是否是獨(dú)占所有權(quán)( use_count 為 1)
swap 交換兩個(gè) shared_ptr 對(duì)象(即交換所擁有的對(duì)象)
reset 放棄內(nèi)部對(duì)象的所有權(quán)或擁有對(duì)象的變更, 會(huì)引起原有對(duì)象的引用計(jì)數(shù)的減少
get 返回內(nèi)部對(duì)象(指針), 由于已經(jīng)重載了()方法, 因此和直接使用對(duì)象是一樣的.如
shared_ptr<int> sp(new int(1));sp 與 sp.get()是等價(jià)的。
share_ptr的簡(jiǎn)單例子：
int main() {string *s1 = new string("s1");shared_ptr<string> ps1(s1);shared_ptr<string> ps2;ps2 = ps1;cout << ps1.use_count()<<endl; //2cout<<ps2.use_count()<<endl; //2cout << ps1.unique()<<endl; //0string *s3 = new string("s3");shared_ptr<string> ps3(s3);cout << (ps1.get()) << endl; //033AEB48cout << ps3.get() << endl; //033B2C50swap(ps1, ps3); //交換所擁有的對(duì)象cout << (ps1.get())<<endl; //033B2C50cout << ps3.get() << endl; //033AEB48cout << ps1.use_count()<<endl; //1cout << ps2.use_count() << endl; //2ps2 = ps1;cout << ps1.use_count()<<endl; //2cout << ps2.use_count() << endl; //2ps1.reset(); //放棄ps1的擁有權(quán)，引用計(jì)數(shù)的減少cout << ps1.use_count()<<endl; //0cout << ps2.use_count()<<endl; //1 }weak_ptr
share_ptr雖然已經(jīng)很好用了，但是有一點(diǎn)share_ptr智能指針還是有內(nèi)存泄露的情況，當(dāng)兩個(gè)對(duì)象相互使用一個(gè)shared_ptr成員變量指向?qū)Ψ?#xff0c;會(huì)造成循環(huán)引用，使引用計(jì)數(shù)失效，從而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。
weak_ptr 是一種不控制對(duì)象生命周期的智能指針, 它指向一個(gè) shared_ptr 管理的對(duì)象. 進(jìn)行該對(duì)象的內(nèi)存管理的是那個(gè)強(qiáng)引用的shared_ptr， weak_ptr只是提供了對(duì)管理對(duì)象的一個(gè)訪問(wèn)手段。weak_ptr 設(shè)計(jì)的目的是為配合 shared_ptr 而引入的一種智能指針來(lái)協(xié)助 shared_ptr 工作, 它只可以從一個(gè) shared_ptr 或另一個(gè) weak_ptr 對(duì)象構(gòu)造, 它的構(gòu)造和析構(gòu)不會(huì)引起引用記數(shù)的增加或減少。weak_ptr是用來(lái)解決shared_ptr相互引用時(shí)的死鎖問(wèn)題,如果說(shuō)兩個(gè)shared_ptr相互引用,那么這兩個(gè)指針的引用計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)不可能下降為0,資源永遠(yuǎn)不會(huì)釋放。它是對(duì)對(duì)象的一種弱引用，不會(huì)增加對(duì)象的引用計(jì)數(shù)，和shared_ptr之間可以相互轉(zhuǎn)化，shared_ptr可以直接賦值給它，它可以通過(guò)調(diào)用lock函數(shù)來(lái)獲得shared_ptr。
class B; //聲明 class A { public:shared_ptr<B> pb_;~A(){cout << "A delete\n";} };class B { public:shared_ptr<A> pa_;~B(){cout << "B delete\n";} };void fun() {shared_ptr<B> pb(new B());shared_ptr<A> pa(new A());cout << pb.use_count() << endl; //1cout << pa.use_count() << endl; //1pb->pa_ = pa;pa->pb_ = pb;cout << pb.use_count() << endl; //2cout << pa.use_count() << endl; //2 }int main() {fun();return 0; }可以看到fun函數(shù)中pa ，pb之間互相引用，兩個(gè)資源的引用計(jì)數(shù)為2，當(dāng)要跳出函數(shù)時(shí)，智能指針pa，pb析構(gòu)時(shí)兩個(gè)資源引用計(jì)數(shù)會(huì)減1，但是兩者引用計(jì)數(shù)還是為1，導(dǎo)致跳出函數(shù)時(shí)資源沒(méi)有被釋放（A、B的析構(gòu)函數(shù)沒(méi)有被調(diào)用）運(yùn)行結(jié)果沒(méi)有輸出析構(gòu)函數(shù)的內(nèi)容，造成內(nèi)存泄露。如果把其中一個(gè)改為weak_ptr就可以了，我們把類A里面的shared_ptr pb_，改為weak_ptr pb_ ，運(yùn)行結(jié)果如下：
1 1 1 2 B delete A delete這樣的話，資源B的引用開始就只有1，當(dāng)pb析構(gòu)時(shí)，B的計(jì)數(shù)變?yōu)?，B得到釋放，B釋放的同時(shí)也會(huì)使A的計(jì)數(shù)減1，同時(shí)pa析構(gòu)時(shí)使A的計(jì)數(shù)減1，那么A的計(jì)數(shù)為0，A得到釋放。
注意：我們不能通過(guò)weak_ptr直接訪問(wèn)對(duì)象的方法，比如B對(duì)象中有一個(gè)方法print()，我們不能這樣訪問(wèn)，pa->pb_->print()，因?yàn)閜b_是一個(gè)weak_ptr，應(yīng)該先把它轉(zhuǎn)化為shared_ptr，如：
shared_ptr<B> p = pa->pb_.lock(); p->print();weak_ptr 沒(méi)有重載*和->但可以使用 lock 獲得一個(gè)可用的 shared_ptr 對(duì)象. 注意, weak_ptr 在使用前需要檢查合法性.
expired 用于檢測(cè)所管理的對(duì)象是否已經(jīng)釋放, 如果已經(jīng)釋放, 返回 true; 否則返回 false.
lock 用于獲取所管理的對(duì)象的強(qiáng)引用(shared_ptr). 如果 expired 為 true, 返回一個(gè)空的 shared_ptr; 否則返回一個(gè) shared_ptr, 其內(nèi)部對(duì)象指向與 weak_ptr 相同.
use_count 返回與 shared_ptr 共享的對(duì)象的引用計(jì)數(shù).
reset 將 weak_ptr 置空.
weak_ptr 支持拷貝或賦值, 但不會(huì)影響對(duì)應(yīng)的 shared_ptr 內(nèi)部對(duì)象的計(jì)數(shù).
share_ptr和weak_ptr的核心實(shí)現(xiàn)
weakptr的作為弱引用指針，其實(shí)現(xiàn)依賴于counter的計(jì)數(shù)器類和share_ptr的賦值，構(gòu)造，所以先把counter和share_ptr簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
Counter簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
class Counter { public:Counter() : s(0), w(0){};int s; //share_ptr的引用計(jì)數(shù)int w; //weak_ptr的引用計(jì)數(shù) };counter對(duì)象的目地就是用來(lái)申請(qǐng)一個(gè)塊內(nèi)存來(lái)存引用基數(shù)，s是share_ptr的引用計(jì)數(shù)，w是weak_ptr的引用計(jì)數(shù)，當(dāng)w為0時(shí)，刪除Counter對(duì)象。
share_ptr的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
template <class T> class WeakPtr; //為了用weak_ptr的lock()，來(lái)生成share_ptr用，需要拷貝構(gòu)造用template <class T> class SharePtr { public:SharePtr(T *p = 0) : _ptr(p){cnt = new Counter();if (p)cnt->s = 1;cout << "in construct " << cnt->s << endl;}~SharePtr(){release();}SharePtr(SharePtr<T> const &s){cout << "in copy con" << endl;_ptr = s._ptr;(s.cnt)->s++;cout << "copy construct" << (s.cnt)->s << endl;cnt = s.cnt;}SharePtr(WeakPtr<T> const &w) //為了用weak_ptr的lock()，來(lái)生成share_ptr用，需要拷貝構(gòu)造用{cout << "in w copy con " << endl;_ptr = w._ptr;(w.cnt)->s++;cout << "copy w construct" << (w.cnt)->s << endl;cnt = w.cnt;}SharePtr<T> &operator=(SharePtr<T> &s){if (this != &s){release();(s.cnt)->s++;cout << "assign construct " << (s.cnt)->s << endl;cnt = s.cnt;_ptr = s._ptr;}return *this;}T &operator*(){return *_ptr;}T *operator->(){return _ptr;}friend class WeakPtr<T>; //方便weak_ptr與share_ptr設(shè)置引用計(jì)數(shù)和賦值protected:void release(){cnt->s--;cout << "release " << cnt->s << endl;if (cnt->s < 1){delete _ptr;if (cnt->w < 1){delete cnt;cnt = NULL;}}}private:T *_ptr;Counter *cnt; };share_ptr的給出的函數(shù)接口為：構(gòu)造，拷貝構(gòu)造，賦值，解引用，通過(guò)release來(lái)在引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候刪除_ptr和cnt的內(nèi)存。
weak_ptr簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
template <class T> class WeakPtr { public: //給出默認(rèn)構(gòu)造和拷貝構(gòu)造，其中拷貝構(gòu)造不能有從原始指針進(jìn)行構(gòu)造WeakPtr(){_ptr = 0;cnt = 0;}WeakPtr(SharePtr<T> &s) : _ptr(s._ptr), cnt(s.cnt){cout << "w con s" << endl;cnt->w++;}WeakPtr(WeakPtr<T> &w) : _ptr(w._ptr), cnt(w.cnt){cnt->w++;}~WeakPtr(){release();}WeakPtr<T> &operator=(WeakPtr<T> &w){if (this != &w){release();cnt = w.cnt;cnt->w++;_ptr = w._ptr;}return *this;}WeakPtr<T> &operator=(SharePtr<T> &s){cout << "w = s" << endl;release();cnt = s.cnt;cnt->w++;_ptr = s._ptr;return *this;}SharePtr<T> lock(){return SharePtr<T>(*this);}bool expired(){if (cnt){if (cnt->s > 0){cout << "empty" << cnt->s << endl;return false;}}return true;}friend class SharePtr<T>; //方便weak_ptr與share_ptr設(shè)置引用計(jì)數(shù)和賦值protected:void release(){if (cnt){cnt->w--;cout << "weakptr release" << cnt->w << endl;if (cnt->w < 1 && cnt->s < 1){//delete cnt;cnt = NULL;}}}private:T *_ptr;Counter *cnt; };weak_ptr一般通過(guò)share_ptr來(lái)構(gòu)造，通過(guò)expired函數(shù)檢查原始指針是否為空，lock來(lái)轉(zhuǎn)化為share_ptr。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的详解C++11智能指针的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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