C++中智能指針的原理、使用、實現(xiàn)
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1、智能指針的作用
C++程序設(shè)計中使用堆內(nèi)存是非常頻繁的操作，堆內(nèi)存的申請和釋放都由程序員自己管理。程序員自己管理堆內(nèi)存可以提高了程序的效率，但是整體來說堆內(nèi)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(nèi)存。使用普通指針，容易造成堆內(nèi)存泄露（忘記釋放），二次釋放，程序發(fā)生異常時內(nèi)存泄露等問題等，使用智能指針能更好的管理堆內(nèi)存。
理解智能指針需要從下面三個層次：
1、從較淺的層面看，智能指針是利用了一種叫做RAII（資源獲取即初始化）的技術(shù)對普通的指針進行封裝，這使得智能指針實質(zhì)是一個對象，行為表現(xiàn)的卻像一個指針。
2、智能指針的作用是防止忘記調(diào)用delete釋放內(nèi)存和程序異常的進入catch塊忘記釋放內(nèi)存。另外指針的釋放時機也是非常有考究的，多次釋放同一個指針會造成程序崩潰，這些都可以通過智能指針來解決。
3、智能指針還有一個作用是把值語義轉(zhuǎn)換成引用語義。C++和Java有一處最大的區(qū)別在于語義不同，在Java里面下列代碼：
Animal a = new Animal();
Animal b = a;
你當(dāng)然知道，這里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，
Animal a;
Animal b = a;
這里卻是就是生成了兩個對象。
關(guān)于值語言參考這篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
2、智能指針的使用
智能指針在C++11版本之后提供，包含在頭文件
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(shù)，每一個shared_ptr的拷貝都指向相同的內(nèi)存。每使用他一次，內(nèi)部的引用計數(shù)加1，每析構(gòu)一次，內(nèi)部的引用計數(shù)減1，減為0時，自動刪除所指向的堆內(nèi)存。shared_ptr內(nèi)部的引用計數(shù)是線程安全的，但是對象的讀取需要加鎖。
初始化。智能指針是個模板類，可以指定類型，傳入指針通過構(gòu)造函數(shù)初始化。也可以使用make_shared函數(shù)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
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(shù)增加1，賦值使得原對象引用計數(shù)減1，當(dāng)計數(shù)為0時，自動釋放內(nèi)存。后來指向的對象引用計數(shù)加1，指向后來的對象 get函數(shù)獲取原始指針 注意不要用一個原始指針初始化多個shared_ptr，否則會造成二次釋放同一內(nèi)存 注意避免循環(huán)引用，shared_ptr的一個最大的陷阱是循環(huán)引用，循環(huán)，循環(huán)引用會導(dǎo)致堆內(nèi)存無法正確釋放，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。循環(huán)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“唯一”擁有其所指對象，同一時刻只能有一個unique_ptr指向給定對象（通過禁止拷貝語義、只有移動語義來實現(xiàn)）。相比與原始指針unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出現(xiàn)異常的情況下，動態(tài)資源能得到釋放。unique_ptr指針本身的生命周期：從unique_ptr指針創(chuàng)建時開始，直到離開作用域。離開作用域時，若其指向?qū)ο螅瑒t將其所指對象銷毀(默認(rèn)使用delete操作符，用戶可指定其他操作)。unique_ptr指針與其所指對象的關(guān)系：在智能指針生命周期內(nèi)，可以改變智能指針?biāo)笇ο螅鐒?chuàng)建智能指針時通過構(gòu)造函數(shù)指定、通過reset方法重新指定、通過release方法釋放所有權(quán)、通過移動語義轉(zhuǎn)移所有權(quán)。
#include <iostream>
#include <memory>
int main() {
{
std::unique_ptr<int> uptr(new int(10)); //綁定動態(tài)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(zhuǎn)換所有權(quán)
uptr2.release(); //釋放所有權(quán)
}
//超過uptr的作用域，內(nèi)存釋放
}
2.3 weak_ptr的使用
weak_ptr是為了配合shared_ptr而引入的一種智能指針，因為它不具有普通指針的行為，沒有重載operator*和->,它的最大作用在于協(xié)助shared_ptr工作，像旁觀者那樣觀測資源的使用情況。weak_ptr可以從一個shared_ptr或者另一個weak_ptr對象構(gòu)造，獲得資源的觀測權(quán)。但weak_ptr沒有共享資源，它的構(gòu)造不會引起指針引用計數(shù)的增加。使用weak_ptr的成員函數(shù)use_count()可以觀測資源的引用計數(shù)，另一個成員函數(shù)expired()的功能等價于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(jīng)不復(fù)存在。weak_ptr可以使用一個非常重要的成員函數(shù)lock()從被觀測的shared_ptr獲得一個可用的shared_ptr對象， 從而操作資源。但當(dāng)expired()==true的時候，lock()函數(shù)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(huán)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 里邊很好寫，不用擔(dān)心內(nèi)存泄漏，也不用擔(dān)心空懸指針，只要正確初始化myChild 和myParent，那么Java 程序員就不用擔(dān)心出現(xiàn)訪問錯誤。一個handle 是否有效，只需要判斷其是否non null。
public class Parent
{
private Child myChild;
}
public class Child
{
private Parent myParent;
}
在C++里邊就要為資源管理費一番腦筋。如果使用原始指針作為成員，Child和Parent由誰釋放？那么如何保證指針的有效性？如何防止出現(xiàn)空懸指針？這些問題是C++面向?qū)ο缶幊搪闊┑膯栴}，現(xiàn)在可以借助smart pointer把對象語義（pointer）轉(zhuǎn)變?yōu)橹担╲alue）語義，shared_ptr輕松解決生命周期的問題，不必?fù)?dān)心空懸指針。但是這個模型存在循環(huán)引用的問題，注意其中一個指針應(yīng)該為weak_ptr。
原始指針的做法，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(huán)引用內(nèi)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;
}
正確的做法
#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(shè)計和實現(xiàn)
下面是一個簡單智能指針的demo。智能指針類將一個計數(shù)器與類指向的對象相關(guān)聯(lián)，引用計數(shù)跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。每次創(chuàng)建類的新對象時，初始化指針并將引用計數(shù)置為1；當(dāng)對象作為另一對象的副本而創(chuàng)建時，拷貝構(gòu)造函數(shù)拷貝指針并增加與之相應(yīng)的引用計數(shù)；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左操作數(shù)所指對象的引用計數(shù)（如果引用計數(shù)為減至0，則刪除對象），并增加右操作數(shù)所指對象的引用計數(shù)；調(diào)用析構(gòu)函數(shù)時，構(gòu)造函數(shù)減少引用計數(shù)（如果引用計數(shù)減至0，則刪除基礎(chǔ)對象）。智能指針就是模擬指針動作的類。所有的智能指針都會重載 -> 和 * 操作符。智能指針還有許多其他功能，比較有用的是自動銷毀。這主要是利用棧對象的有限作用域以及臨時對象（有限作用域?qū)崿F(xiàn)）析構(gòu)函數(shù)釋放內(nèi)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 }
關(guān)注公眾號「高效程序員」??，一起優(yōu)秀！
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