C++11中智能指針的原理、使用、實現

時間 2019-11-07

標籤 c++11 智能指針原理使用實現欄目 C&C++ 简体版

原文原文鏈接

1.智能指針的做用

C++程序設計中使用堆內存是很是頻繁的操做，堆內存的申請和釋放都由程序員本身管理。程序員本身管理堆內存能夠提升了程序的效率，可是總體來講堆內存的管理是麻煩的，C++11中引入了智能指針的概念，方便管理堆內存。使用普通指針，容易形成堆內存泄露（忘記釋放），二次釋放，程序發生異常時內存泄露等問題等，使用智能指針能更好的管理堆內存。html

理解智能指針須要從下面三個層次：ios

從較淺的層面看，智能指針是利用了一種叫作RAII（資源獲取即初始化）的技術對普通的指針進行封裝，這使得智能指針實質是一個對象，行爲表現的卻像一個指針。
智能指針的做用是防止忘記調用delete釋放內存和程序異常的進入catch塊忘記釋放內存。另外指針的釋放時機也是很是有考究的，屢次釋放同一個指針會形成程序崩潰，這些均可以經過智能指針來解決。
智能指針還有一個做用是把值語義轉換成引用語義。C++和Java有一處最大的區別在於語義不一樣，在Java裏面下列代碼：

　　Animal a = new Animal();程序員

　　Animal b = a;面試

你固然知道，這裏其實只生成了一個對象，a和b僅僅是把持對象的引用而已。但在C++中不是這樣，編程

Animal a;安全

Animal b = a;函數

這裏倒是就是生成了兩個對象。this

　　　關於值語言參考這篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.htmlspa

2.智能指針的使用

智能指針在C++11版本以後提供，包含在頭文件<memory>中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr.net

2.1 shared_ptr的使用

shared_ptr多個指針指向相同的對象。shared_ptr使用引用計數，每個shared_ptr的拷貝都指向相同的內存。每使用他一次，內部的引用計數加1，每析構一次，內部的引用計數減1，減爲0時，自動刪除所指向的堆內存。shared_ptr內部的引用計數是線程安全的，可是對象的讀取須要加鎖。

初始化。智能指針是個模板類，能夠指定類型，傳入指針經過構造函數初始化。也可使用make_shared函數初始化。不能將指針直接賦值給一個智能指針，一個是類，一個是指針。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的寫法是錯誤的
拷貝和賦值。拷貝使得對象的引用計數增長1，賦值使得原對象引用計數減1，當計數爲0時，自動釋放內存。後來指向的對象引用計數加1，指向後來的對象。
get函數獲取原始指針
注意不要用一個原始指針初始化多個shared_ptr，不然會形成二次釋放同一內存
注意避免循環引用，shared_ptr的一個最大的陷阱是循環引用，循環，循環引用會致使堆內存沒法正確釋放，致使內存泄漏。循環引用在weak_ptr中介紹。

#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(); //獲取原始指針

        std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
        std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
    }
}

2.2 unique_ptr的使用

　　unique_ptr「惟一」擁有其所指對象，同一時刻只能有一個unique_ptr指向給定對象（經過禁止拷貝語義、只有移動語義來實現）。相比與原始指針unique_ptr用於其RAII的特性，使得在出現異常的狀況下，動態資源能獲得釋放。unique_ptr指針自己的生命週期：從unique_ptr指針建立時開始，直到離開做用域。離開做用域時，若其指向對象，則將其所指對象銷燬(默認使用delete操做符，用戶可指定其餘操做)。unique_ptr指針與其所指對象的關係：在智能指針生命週期內，能夠改變智能指針所指對象，如建立智能指針時經過構造函數指定、經過reset方法從新指定、經過release方法釋放全部權、經過移動語義轉移全部權。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    {
        std::unique_ptr<int> uptr(new int(10));  //綁定動態對象
        //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); //轉換全部權
        uptr2.release(); //釋放全部權
    }
    //超過uptr的做用域，內存釋放
}

2.3 weak_ptr的使用

　　weak_ptr是爲了配合shared_ptr而引入的一種智能指針，由於它不具備普通指針的行爲，沒有重載operator*和->,它的最大做用在於協助shared_ptr工做，像旁觀者那樣觀測資源的使用狀況。weak_ptr能夠從一個shared_ptr或者另外一個weak_ptr對象構造，得到資源的觀測權。但weak_ptr沒有共享資源，它的構造不會引發指針引用計數的增長。使用weak_ptr的成員函數use_count()能夠觀測資源的引用計數，另外一個成員函數expired()的功能等價於use_count()==0,但更快，表示被觀測的資源(也就是shared_ptr的管理的資源)已經不復存在。weak_ptr可使用一個很是重要的成員函數lock()從被觀測的shared_ptr得到一個可用的shared_ptr對象，從而操做資源。但當expired()==true的時候，lock()函數將返回一個存儲空指針的shared_ptr。

#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
}

2.4 循環引用

考慮一個簡單的對象建模——家長與子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。在Java 裏邊很好寫，不用擔憂內存泄漏，也不用擔憂空懸指針，只要正確初始化myChild 和myParent，那麼Java 程序員就不用擔憂出現訪問錯誤。一個handle 是否有效，只須要判斷其是否non null。

public class Parent
{
　　private Child myChild;
}
public class Child
{
　　private Parent myParent;
}
在C++ 裏邊就要爲資源管理費一番腦筋。若是使用原始指針做爲成員，Child和Parent由誰釋放？那麼如何保證指針的有效性？如何防止出現空懸指針？這些問題是C++面向對象編程麻煩的問題，如今能夠藉助smart pointer把對象語義（pointer）轉變爲值（value）語義，shared_ptr輕鬆解決生命週期的問題，沒必要擔憂空懸指針。可是這個模型存在循環引用的問題，注意其中一個指針應該爲weak_ptr。

原始指針的作法，容易出錯

#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;
}

循環引用內存泄露的問題

#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;
}

正確的作法

#include <iostream>
#include <memory>

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    //std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
    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;
}

3.智能指針的設計和實現

　　下面是一個簡單智能指針的demo。智能指針類將一個計數器與類指向的對象相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。每次建立類的新對象時，初始化指針並將引用計數置爲1；當對象做爲另外一對象的副本而建立時，拷貝構造函數拷貝指針並增長與之相應的引用計數；對一個對象進行賦值時，賦值操做符減小左操做數所指對象的引用計數（若是引用計數爲減至0，則刪除對象），並增長右操做數所指對象的引用計數；調用析構函數時，構造函數減小引用計數（若是引用計數減至0，則刪除基礎對象）。智能指針就是模擬指針動做的類。全部的智能指針都會重載 -> 和 * 操做符。智能指針還有許多其餘功能，比較有用的是自動銷燬。這主要是利用棧對象的有限做用域以及臨時對象（有限做用域實現）析構函數釋放內存。

 1 #include <iostream>
 2 #include <memory>
 3 
 4 template<typename T>
 5 class SmartPointer {
 6 private:
 7     T* _ptr;
 8     size_t* _count;
 9 public:
10     SmartPointer(T* ptr = nullptr) :
11             _ptr(ptr) {
12         if (_ptr) {
13             _count = new size_t(1);
14         } else {
15             _count = new size_t(0);
16         }
17     }
18 
19     SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {
20         if (this != &ptr) {
21             this->_ptr = ptr._ptr;
22             this->_count = ptr._count;
23             (*this->_count)++;
24         }
25     }
26 
27     SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
28         if (this->_ptr == ptr._ptr) {
29             return *this;
30         }
31 
32         if (this->_ptr) {
33             (*this->_count)--;
34             if (this->_count == 0) {
35                 delete this->_ptr;
36                 delete this->_count;
37             }
38         }
39 
40         this->_ptr = ptr._ptr;
41         this->_count = ptr._count;
42         (*this->_count)++;
43         return *this;
44     }
45 
46     T& operator*() {
47         assert(this->_ptr == nullptr);
48         return *(this->_ptr);
49 
50     }
51 
52     T* operator->() {
53         assert(this->_ptr == nullptr);
54         return this->_ptr;
55     }
56 
57     ~SmartPointer() {
58         (*this->_count)--;
59         if (*this->_count == 0) {
60             delete this->_ptr;
61             delete this->_count;
62         }
63     }
64 
65     size_t use_count(){
66         return *this->_count;
67     }
68 };
69 
70 int main() {
71     {
72         SmartPointer<int> sp(new int(10));
73         SmartPointer<int> sp2(sp);
74         SmartPointer<int> sp3(new int(20));
75         sp2 = sp3;
76         std::cout << sp.use_count() << std::endl;
77         std::cout << sp3.use_count() << std::endl;
78     }
79     //delete operator
80 }