C++智能指針的示例分析

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)C++智能指針的示例分析，小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

為什么要有智能指針？

因?yàn)槠胀ǖ闹羔槾嬖谝韵聨讉€(gè)問(wèn)題：

• 資源泄露

• 野指針

•  未初始化

• 多個(gè)指針指向同一塊內(nèi)存，某個(gè)指針將內(nèi)存釋放，別的指針不知道

• 異常安全問(wèn)題

• 如果在 malloc和free 或者 new和delete 之間如果存在拋異常，那么也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

資源泄漏示例代碼：

int main(){
	int *p = new int;
	*p = 1;
	p = new int; // 未釋放之前申請(qǐng)的資源，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏 
	delete p;
	
	return 0;
}

野指針示例代碼：

int main(){
	int *p1 = new int;
	int *p2 = p1;
	delete p1; 
	*p2 = 1; // 申請(qǐng)的內(nèi)存已經(jīng)被釋放掉了，  
	
	return 0;
}

int main(){
	int *p;
	*p = 1; // 程序直接報(bào)錯(cuò)， 使用了未初始化的變量
	return 0;
}

解決方法：智能指針

智能指針的使用及原理

• 具有RALL 特性

• 重載了 operator* 和 operator ->,使其具有了指針一樣的行為

RALL

RALL（Resource Acquistion Is Initialization）是一種利用對(duì)象生命周期來(lái)控制程序資源（如內(nèi)存，文件句柄，網(wǎng)絡(luò)連接，互斥量等）的簡(jiǎn)單技術(shù)。

在對(duì)象構(gòu)造時(shí)獲取資源，接著控制對(duì)資源的訪問(wèn)使之在對(duì)象的生命周期內(nèi)始終保持有效，最后在對(duì)象析構(gòu)的時(shí)候釋放資源。相當(dāng)于利用 對(duì)象 管理了一份資源。這樣的優(yōu)勢(shì)在于

1.不需要顯式的釋放資源（對(duì)象析構(gòu)時(shí)，自動(dòng)釋放資源）

2.采用這種方式，對(duì)象所需的資源在其生命周期內(nèi)始終保持有效。

智能指針就是一個(gè)實(shí)例出來(lái)的對(duì)象

C++98版本的庫(kù)中就提供了auto_ptr的智能指針。但是 auto_ptr存在當(dāng)對(duì)象拷貝或者賦值之后，前面的對(duì)象就懸空了。

C++11 提供更靠譜的并且支持拷貝的 shared_ptr

shared_ptr :

通過(guò)引用計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)shared_ptr 對(duì)象之間共享資源。

shared_ptr在其內(nèi)部，給每個(gè)資源都維護(hù)了著一份計(jì)數(shù)，用來(lái)記錄該份資源被幾個(gè)對(duì)象共享。在對(duì)象被銷(xiāo)毀時(shí)(也就是析構(gòu)函數(shù)調(diào)用)，就說(shuō)明自己不使用該資源了，對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減一。如果引用計(jì)數(shù)是0，就說(shuō)明自己是最后一個(gè)使用該資源的對(duì)象，必須釋放該資源；如果不是0，就說(shuō)明除了自己還有其他對(duì)象在使用該份資源，不能釋放該資源，否則其他對(duì)象就成野指針了

unique_ptr ：

確保一個(gè)對(duì)象同一時(shí)刻只能被一個(gè)智能指針引用，可以轉(zhuǎn)移所有權(quán)（可以從一個(gè)智能指針轉(zhuǎn)移到另一個(gè)智能指針）

auto_ptr ：

C++11 已棄用， 與unique_ptr 類(lèi)似

使用時(shí)，需包含頭文件

 #include <memory>

shared_ptr的使用注意事項(xiàng)

創(chuàng)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 支持使用比較運(yùn)算符，使用時(shí)，會(huì)調(diào)用共享指針內(nèi)部封裝的原始指針的比較運(yùn)算符。

支持

==、!=、<、<=、>、>=

使用 比較運(yùn)算符 的前提 必須是 同類(lèi)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 指針與 NULL 指針相比 ，都是大于
bool b3 = p3 == p3;		// true
bool b4 = p4 < p2		// 編譯失敗，類(lèi)型不一致

shared_ptr 可以使用強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換，但是不能使用普通的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換符

1.shared_ptr 強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換符 允許將其中包含的指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為其它類(lèi)型

2.不能使用普通的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符，否則會(huì)導(dǎo)致未定義行為

3.shared_ptr 的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符包括
static_pointer_cast
dynamic_pointer_cast
const_pointer_cast

示例：

shared_ptr<void> p(new int);	// 內(nèi)部保留 void* 指針
static_pointer_cast<int*>(p);	// 正確的 強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換方式
shared_ptr<int> p1(static_cast<int*>(p.get()));	// 錯(cuò)誤的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換方式，未定義錯(cuò)誤

多個(gè) shared_ptr 不能擁有同一個(gè)對(duì)象

利用代碼理解

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); 	// 該對(duì)象可以正常析構(gòu)
	shared_ptr<Mytest> p2(p); // 對(duì)象銷(xiāo)毀時(shí)，錯(cuò)誤，讀取位置 0xDDDDDDDD 時(shí)發(fā)生訪問(wèn)沖突。
	return 0;
}

上述代碼， 共享指針 p1 對(duì)象在程序 結(jié)束時(shí)，調(diào)用析構(gòu)，釋放了p 所指向的空間， 當(dāng) p2 進(jìn)行析構(gòu)的時(shí)候，又釋放p所指向的空間， 但是由于已經(jīng)釋放過(guò)了， 重復(fù)釋放已經(jīng)釋放過(guò)的內(nèi)存，導(dǎo)致段錯(cuò)誤。

可以使用 shared_from_this 避免這種問(wèn)題

改進(jìn)代碼：

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(); // 正確做法
    
    return 0;
}

shared_ptr 的銷(xiāo)毀

shared_ptr 在初始化的時(shí)候，可以定義刪除器，刪除器可以定義為 普通函數(shù)、匿名函數(shù)、函數(shù)指針等符合要求的可調(diào)用對(duì)象

示例代碼：

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;
}

執(zhí)行結(jié)果：

begin
Fun delete p3
end
Lamda deletep1

分析結(jié)果：

首先 ，p3在{ }作用域內(nèi) ，生命周期最先結(jié)束，調(diào)用delFun作為刪除器

其次，p2 也在{ } 作用域內(nèi)，生命周期也結(jié)束了，但是因?yàn)?p1 和 p2 指向了同一個(gè)對(duì)象，所以p2 銷(xiāo)毀只是將其 對(duì)象 引用計(jì)數(shù) -1。

最后，程序運(yùn)行結(jié)束，p1銷(xiāo)毀，其對(duì)象引用計(jì)數(shù)-1 變?yōu)?，調(diào)用 刪除器，銷(xiāo)毀對(duì)象。

shared_ptr<char> p(new char[10]); // 編譯能夠通過(guò)，但是會(huì)造成資源泄漏
// 正確做法
shared_ptr<char> p(new char[10], [](char* p){
	delete p[];
	});
// 正確做法
shared_ptr<char> p(new char[10], default_delete<char[]>());

• 可以為數(shù)組創(chuàng)建一個(gè)shared_ptr ，但是這樣會(huì)造成資源泄露。因?yàn)?shared_ptr 提供默認(rèn)的刪除調(diào)用的是 delete，而不是 delete[]

• 可以使用自定義刪除器，刪除器中使用 delete[]

• 可以使用 default_delete 作為刪除器，因?yàn)樗褂?delete[]

shared_ptr 存在的問(wèn)題：

1.循環(huán)引用
不同對(duì)象相互引用，形成環(huán)路

2.想要共享但是不想擁有對(duì)象

shared_ptr 的線程安全問(wèn)題

1. shared_ptr 對(duì)象中引用計(jì)數(shù)是多個(gè)shared_ptr對(duì)象共享的，兩個(gè)線程中shared_ptr的引用計(jì)數(shù)同時(shí)++或–，這個(gè)操作不是原子的，引用計(jì)數(shù)原來(lái)是1，++了兩次，可能還是2 這樣引用計(jì)數(shù)就錯(cuò)亂了。會(huì)導(dǎo)致資源未釋放或者程序崩潰的問(wèn)題。所以只能指針中引用計(jì)數(shù)++、–是需要加鎖的，也就是說(shuō)引用計(jì)數(shù)的操作是線程安全的。

2.shared_ptr 管理的對(duì)象存放在堆上，兩個(gè)線程中同時(shí)去訪問(wèn)，會(huì)導(dǎo)致線程安全問(wèn)題。

// 1.因?yàn)榫€程安全問(wèn)題是偶現(xiàn)性問(wèn)題，main函數(shù)的n改大一些概率就變大了，就
容易出現(xiàn)了。
void SharePtrFunc(shared_ptr<Date>& sp, size_t n)
{
	cout << sp.Get() << endl;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		// 這里智能指針拷貝會(huì)++計(jì)數(shù)，智能指針析構(gòu)會(huì)--計(jì)數(shù)，這里是線程安全的。
		shared_ptr<Date> copy(sp);
		// 這里智能指針訪問(wèn)管理的資源，不是線程安全的。所以我們看看這些值兩個(gè)線程++了2n次，但是最終看到的結(jié)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 的循環(huán)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;
}

循環(huán)引用代碼分析：

node1和node2兩個(gè)智能指針對(duì)象指向兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，引用計(jì)數(shù)變成1，不需要手動(dòng)delete。

node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用計(jì)數(shù)變成2。

node1和node2析構(gòu)，引用計(jì)數(shù)減到1，但是_next還指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。但是_prev還指向上一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

也就是說(shuō)_next析構(gòu)了，node2就釋放了。

也就是說(shuō)_prev析構(gòu)了，node1就釋放了。

但是_next屬于node的成員，node1釋放了，_next才會(huì)析構(gòu)，而node1由_prev管理，_prev屬于node2成員，所以這就叫循環(huán)引用，誰(shuí)也不會(huì)釋放。

解決方案：在引用計(jì)數(shù)的場(chǎng)景下，把節(jié)點(diǎn)中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了

原理：

node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;時(shí)weak_ptr的_next和_prev不會(huì)增加

node1和node2的引用計(jì)數(shù)。

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

• 同一個(gè)對(duì)象，只能有唯一的一個(gè) unique_ptr 指向它

• 繼承了自動(dòng)指針 auto_ptr，

• 有助于避免發(fā)生異常時(shí)導(dǎo)致的資源泄漏

unique_ptr的使用

unique_ptr 定義了*、-> 運(yùn)算符，沒(méi)有定義 ++ 之類(lèi)的指針?biāo)惴?/p>

unique_ptr 不允許使用賦值語(yǔ)法進(jìn)行初始化，必須使用普通指針直接初始化

unique_ptr 可以為 空

unique_ptr 不能使用普通的復(fù)制語(yǔ)義賦值， 可以使用 C++11 的 move() 函數(shù)

unique_ptr 獲得新對(duì)象時(shí)，會(huì)銷(xiāo)毀之前的對(duì)象

unique_ptr 防止拷貝的原理：

// C++98防拷貝的方式：只聲明不實(shí)現(xiàn)+聲明成私有
UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
// C++11防拷貝的方式：delete
UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;

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