C++智能指針之shared_ptr如何使用

這篇文章主要介紹“C++智能指針之shared_ptr如何使用”的相關(guān)知識(shí)，小編通過實(shí)際案例向大家展示操作過程，操作方法簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)，希望這篇“C++智能指針之shared_ptr如何使用”文章能幫助大家解決問題。

std::shared_ptr概念

unique_ptr因?yàn)槠渚窒扌?獨(dú)享所有權(quán))，一般很少用于多線程操作。在多線程操作的時(shí)候，既可以共享資源，又可以自動(dòng)釋放資源，這就引入了shared_ptr。

shared_ptr為了支持跨線程訪問，其內(nèi)部有一個(gè)引用計(jì)數(shù)(線程安全)，用來記錄當(dāng)前使用該資源的shared_ptr個(gè)數(shù)，在結(jié)束使用的時(shí)候，引用計(jì)數(shù)為-1，當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)釋放其關(guān)聯(lián)的資源。

特點(diǎn) 相對(duì)于unique_ptr的獨(dú)享所有權(quán)，shared_ptr可以共享所有權(quán)。其內(nèi)部有一個(gè)引用計(jì)數(shù)，用來記錄共享該資源的shared_ptr個(gè)數(shù)，當(dāng)共享數(shù)為0的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)釋放其關(guān)聯(lián)的資源。

對(duì)比unique_ptr，shared_ptr不支持?jǐn)?shù)組，所以，如果用shared_ptr指向一個(gè)數(shù)組的話，需要自己手動(dòng)實(shí)現(xiàn)deleter，如下所示：

std::shared_ptr<int> p(new int[8], [](int *ptr){delete []ptr;});

shared_ptr模板類

template<class T> class shared_ptr {
  public:
    using element_type = remove_extent_t<T>;
    using weak_type    = weak_ptr<T>;
 
    // 構(gòu)造函數(shù)
    constexpr shared_ptr() noexcept;
    constexpr shared_ptr(nullptr_t) noexcept : shared_ptr() { }
    template<class Y> explicit shared_ptr(Y* p);
    template<class Y, class D> shared_ptr(Y* p, D d);
    template<class Y, class D, class A> shared_ptr(Y* p, D d, A a);
    template<class D> shared_ptr(nullptr_t p, D d);
    template<class D, class A> shared_ptr(nullptr_t p, D d, A a);
    template<class Y>
    shared_ptr(const shared_ptr<Y>& r, element_type* p) noexcept;
    template<class Y>
    shared_ptr(shared_ptr<Y>&& r, element_type* p) noexcept;
    shared_ptr(const shared_ptr& r) noexcept;
    template<class Y> shared_ptr(const shared_ptr<Y>& r) noexcept;
    shared_ptr(shared_ptr&& r) noexcept;
    template<class Y> shared_ptr(shared_ptr<Y>&& r) noexcept;
    template<class Y> explicit shared_ptr(const weak_ptr<Y>& r);
    template<class Y, class D> shared_ptr(unique_ptr<Y, D>&& r);
 
    // 析構(gòu)函數(shù)
    ~shared_ptr();
 
    // 賦值
    shared_ptr& operator=(const shared_ptr& r) noexcept;
    template<class Y>
    shared_ptr& operator=(const shared_ptr<Y>& r) noexcept;
    shared_ptr& operator=(shared_ptr&& r) noexcept;
    template<class Y>
    shared_ptr& operator=(shared_ptr<Y>&& r) noexcept;
    template<class Y, class D>
    shared_ptr& operator=(unique_ptr<Y, D>&& r);
 
    // 修改函數(shù)
    void swap(shared_ptr& r) noexcept;
    void reset() noexcept;
    template<class Y> void reset(Y* p);
    template<class Y, class D> void reset(Y* p, D d);
    template<class Y, class D, class A> void reset(Y* p, D d, A a);
 
    // 探察函數(shù)
    element_type* get() const noexcept;
    T& operator*() const noexcept;
    T* operator->() const noexcept;
    element_type& operator[](ptrdiff_t i) const;
    long use_count() const noexcept;
    explicit operator bool() const noexcept;
    template<class U>
    bool owner_before(const shared_ptr<U>& b) const noexcept;
    template<class U>
    bool owner_before(const weak_ptr<U>& b) const noexcept;
  };

shared_ptr多個(gè)指針指向相同的對(duì)象。shared_ptr使用引用計(jì)數(shù)，每一個(gè)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(jì)數(shù)加1，每析構(gòu)一次，內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)減1，減為0時(shí)，自動(dòng)刪除所指向的堆內(nèi)存。shared_ptr內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)是線程安全的，但是對(duì)象的讀取需要加鎖。

• 初始化。智能指針是個(gè)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(gè)智能指針，一個(gè)是類，一個(gè)是指針。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的寫法是錯(cuò)誤的，是不能隱式轉(zhuǎn)換。

• 拷貝和賦值。拷貝使得對(duì)象的引用計(jì)數(shù)增加1，賦值使得原對(duì)象引用計(jì)數(shù)減1，當(dāng)計(jì)數(shù)為0時(shí)，自動(dòng)釋放內(nèi)存。后來指向的對(duì)象引用計(jì)數(shù)加1，指向后來的對(duì)象。

• get函數(shù)獲取原始指針。

• 注意不要用一個(gè)原始指針初始化多個(gè)shared_ptr，否則會(huì)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(gè)最大的陷阱是循環(huán)引用，循環(huán)，循環(huán)引用會(huì)導(dǎo)致堆內(nèi)存無法正確釋放，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。循環(huán)引用我們?cè)诤竺娴膚eak_ptr中介紹。

所有智能指針類都有一個(gè)explicit構(gòu)造函數(shù)，該構(gòu)造函數(shù)將指針作為參數(shù)。因此不需要自動(dòng)將指針轉(zhuǎn)換為智能指針對(duì)象：

std::shared_ptr<int> pi;
int* p_reg = new int;
//pi = p_reg;  // not allowed(implicit conversion)
pi = std::shared_ptr<int>(p_reg);  // allowed(explicit conversion)
//std::shared_ptr<int> pshared = p_reg;  // not allowed(implicit conversion)
//std::shared_ptr<int> pshared(g_reg);  // allowed(explicit conversion)

下面我們看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

int main()
{
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(10);
    cout << sp.use_count() << endl;//1
    std::shared_ptr<int> sp1(sp);//再次被引用則計(jì)數(shù)+1
    cout << sp1.use_count() << endl;//2
}

從上面可以看到，多次被引用則會(huì)增加計(jì)數(shù)，我們可以通過使用use_count方法打印具體的計(jì)數(shù)。

shared_ptr的構(gòu)造和析構(gòu)

#include <iostream>
#include <memory>

struct C {int* data;};

int main () {
 auto deleter = [](int* ptr){
    std::cout << "custom deleter called\n";
    delete ptr;
  };//Labmbda表達(dá)式

  //默認(rèn)構(gòu)造，沒有獲取任何指針的所有權(quán)，引用計(jì)數(shù)為0
  std::shared_ptr<int> sp1;
  std::shared_ptr<int> sp2 (nullptr);//同1
  //擁有指向int的指針?biāo)袡?quán)，引用計(jì)數(shù)為1
  std::shared_ptr<int> sp3 (new int);
  //同3，但是擁有自己的析構(gòu)方法，如果指針?biāo)赶驅(qū)ο鬄閺?fù)雜結(jié)構(gòu)C
  //結(jié)構(gòu)C里有指針，默認(rèn)析構(gòu)函數(shù)不會(huì)將結(jié)構(gòu)C里的指針data所指向的內(nèi)存釋放,
  //這時(shí)需要自己使用自己的析構(gòu)函數(shù)（刪除器）
  std::shared_ptr<int> sp4 (new int, deleter);
  //同4,但擁有自己的分配器（構(gòu)造函數(shù)），
  //如成員中有指針，可以為指針分配內(nèi)存，原理跟淺拷貝和深拷貝類似                         
  std::shared_ptr<int> sp5 (new int, [](int* p){delete p;}, std::allocator<int>());
  //如果p5引用計(jì)數(shù)不為0，則引用計(jì)數(shù)加1，否則同樣為0, p6為0
  std::shared_ptr<int> sp6 (sp5);
  //p6的所有權(quán)全部移交給p7，p6引用計(jì)數(shù)變?yōu)闉?
  std::shared_ptr<int> sp7 (std::move(sp6));
  //p8獲取所有權(quán)，引用計(jì)數(shù)設(shè)置為1
  std::shared_ptr<int> sp8 (std::unique_ptr<int>(new int));
  std::shared_ptr<C> obj (new C);
  //同6一樣，只不過擁有自己的刪除器與4一樣
  std::shared_ptr<int> sp9 (obj, obj->data);

  std::cout << "use_count:\n";
  std::cout << "p1: " << sp1.use_count() << '\n'; //0
  std::cout << "p2: " << sp2.use_count() << '\n'; //0
  std::cout << "p3: " << sp3.use_count() << '\n'; //1
  std::cout << "p4: " << sp4.use_count() << '\n'; //1
  std::cout << "p5: " << sp5.use_count() << '\n'; //2
  std::cout << "p6: " << sp6.use_count() << '\n'; //0
  std::cout << "p7: " << sp7.use_count() << '\n'; //2
  std::cout << "p8: " << sp8.use_count() << '\n'; //1
  std::cout << "p9: " << sp9.use_count() << '\n'; //2
  return 0;
}

shared_ptr賦值

給shared_ptr賦值有三種方式，如下

#include <iostream>
#include <memory>

int main () {
  std::shared_ptr<int> foo;
  std::shared_ptr<int> bar (new int(10));
  //右邊是左值，拷貝賦值，引用計(jì)數(shù)加1
  foo = bar; 
  //右邊是右值，所以是移動(dòng)賦值
  bar = std::make_shared<int> (20); 
  //unique_ptr 不共享它的指針。它無法復(fù)制到其他 unique_ptr，
  //無法通過值傳遞到函數(shù)，也無法用于需要副本的任何標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù) (STL) 算法。只能移動(dòng)unique_ptr
  std::unique_ptr<int> unique (new int(30));
  // move from unique_ptr，引用計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)移
  foo = std::move(unique); 

  std::cout << "*foo: " << *foo << '\n';
  std::cout << "*bar: " << *bar << '\n';

  return 0;
}

make_shared

看下面make_shared的用法：

#include <iostream>
#include <memory>

int main () {

  std::shared_ptr<int> foo = std::make_shared<int> (10);
  // same as:
  std::shared_ptr<int> foo2 (new int(10));
  //創(chuàng)建內(nèi)存，并返回共享指針，只創(chuàng)建一次內(nèi)存
  auto bar = std::make_shared<int> (20);

  auto baz = std::make_shared<std::pair<int,int>> (30,40);

  std::cout << "*foo: " << *foo << '\n';
  std::cout << "*bar: " << *bar << '\n';
  std::cout << "*baz: " << baz->first << ' ' << baz->second << '\n';

  return 0;
}

效率提升 std::make_shared（比起直接使用new）的一個(gè)特性是能提升效率。使用std::make_shared允許編譯器產(chǎn)生更小，更快的代碼，產(chǎn)生的代碼使用更簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。考慮下面直接使用new的代碼：

std::shared_ptr<Test> sp(new Test);

很明顯這段代碼需要分配內(nèi)存，但是它實(shí)際上要分配兩次。每個(gè)std::shared_ptr都指向一個(gè)控制塊，控制塊包含被指向?qū)ο蟮囊糜?jì)數(shù)以及其他東西。這個(gè)控制塊的內(nèi)存是在std::shared_ptr的構(gòu)造函數(shù)中分配的。因此直接使用new，需要一塊內(nèi)存分配給Widget，還要一塊內(nèi)存分配給控制塊。如果使用std::make_shared來替換：

auto sp = std::make_shared<Test>();

一次分配就足夠了。這是因?yàn)閟td::make_shared申請(qǐng)一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)存塊來同時(shí)存放Widget對(duì)象和控制塊。這個(gè)優(yōu)化減少了程序的靜態(tài)大小，因?yàn)榇a只包含一次內(nèi)存分配的調(diào)用，并且這會(huì)加快代碼的執(zhí)行速度，因?yàn)閮?nèi)存只分配了一次。另外，使用std::make_shared消除了一些控制塊需要記錄的信息，這樣潛在地減少了程序的總內(nèi)存占用。

對(duì)std::make_shared的效率分析可以同樣地應(yīng)用在std::allocate_shared上，所以std::make_shared的性能優(yōu)點(diǎn)也可以擴(kuò)展到這個(gè)函數(shù)上。

異常安全

另外一個(gè)std::make_shared的好處是異常安全，我們看下面一句簡(jiǎn)單的代碼：

callTest(std::shared_ptr<Test>(new Test), secondFun());

簡(jiǎn)單說，上面這個(gè)代碼可能會(huì)發(fā)生內(nèi)存泄漏，我們先來看下上面這個(gè)調(diào)用中幾個(gè)語句的執(zhí)行順序，可能是順序如下：

new Test()
secondFun()
std::shared_ptr<Test>()

如果真是按照上面這樣的代碼順序執(zhí)行，那么在運(yùn)行期，如果secondFun()中產(chǎn)生了一個(gè)異常，程序就會(huì)直接返回了，則第一步new Test分配的內(nèi)存就泄露了，因?yàn)樗肋h(yuǎn)不會(huì)被存放到在第三步才開始管理它的std::shared_ptr中。但是如果使用std::make_shared則可以避免這樣的問題。調(diào)用代碼將看起來像這樣：

callTest(std::make_shared<Test>(), secondFun());

在運(yùn)行期，不管std::make_shared或secondFun哪一個(gè)先被調(diào)用。如果std::make_shared先被調(diào)用，則在secondFun調(diào)用前，指向動(dòng)態(tài)分配出來的Test的原始指針能安全地被存放到std::shared_ptr中。如果secondFun之后產(chǎn)生一個(gè)異常，std::shared_ptr的析構(gòu)函數(shù)將發(fā)現(xiàn)它持有的Test需要被銷毀。并且如果secondFun先被調(diào)用并產(chǎn)生一個(gè)異常，std::make_shared就不會(huì)被調(diào)用，因此這里就不需要考慮動(dòng)態(tài)分配的Test了。

計(jì)數(shù)線程安全？

我們上面一直說shared_ptr中的計(jì)數(shù)是線程安全的，其實(shí)shared_ptr中的計(jì)數(shù)是使用了我們前面文章介紹的std::atomic特性，引用計(jì)數(shù)加一減一操作是原子性的，所以線程安全的。引用計(jì)數(shù)器的使用等價(jià)于用 std::memory_order_relaxed 的 std::atomic::fetch_add 自增（自減要求更強(qiáng)的順序，以安全銷毀控制塊）。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <mutex>
 
struct Test
{
    Test() { std::cout << " Test::Test()\n"; }
    ~Test() { std::cout << " Test::~Test()\n"; }
};
 
//線程函數(shù)
void thr(std::shared_ptr<Test> p)
{
    //線程暫停1s
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    //賦值操作, shared_ptr引用計(jì)數(shù)use_cont加1(c++11中是原子操作)
    std::shared_ptr<Test> lp = p;
    {
        //static變量(單例模式),多線程同步用
        static std::mutex io_mutex;

        //std::lock_guard加鎖
        std::lock_guard<std::mutex> lk(io_mutex);
        std::cout << "local pointer in a thread:\n"
            << " lp.get() = " << lp.get()
            << ", lp.use_count() = " << lp.use_count() << '\n';
    }
}
 
int main()
{
    //使用make_shared一次分配好需要內(nèi)存
    std::shared_ptr<Test> p = std::make_shared<Test>();
    //std::shared_ptr<Test> p(new Test);

    std::cout << "Created a shared Test\n"
        << " p.get() = " << p.get()
        << ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';

    //創(chuàng)建三個(gè)線程,t1,t2,t3
    //形參作為拷貝, 引用計(jì)數(shù)也會(huì)加1
    std::thread t1(thr, p), t2(thr, p), t3(thr, p);
    std::cout << "Shared ownership between 3 threads and released\n"
        << "ownership from main:\n"
        << " p.get() = " << p.get()
        << ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';
    //等待結(jié)束
    t1.join(); t2.join(); t3.join();
    std::cout << "All threads completed, the last one deleted\n";

    return 0;
}

輸出：

Test::Test()
Created a shared Test
 p.get() = 0xa7cec0, p.use_count() = 1
Shared ownership between 3 threads and released
ownership from main:
 p.get() = 0xa7cec0, p.use_count() = 4
local pointer in a thread:
 lp.get() = 0xa7cec0, lp.use_count() = 5
local pointer in a thread:
 lp.get() = 0xa7cec0, lp.use_count() = 4
local pointer in a thread:
 lp.get() = 0xa7cec0, lp.use_count() = 3
All threads completed, the last one deleted
 Test::~Test()

enable_shared_from_this

在某些場(chǎng)合下，會(huì)遇到一種情況，如何安全的獲取對(duì)象的this指針，一般來說我們不建議直接返回this指針，可以想象下有這么一種情況，返回的this指針保存在外部一個(gè)局部或全局變量，當(dāng)對(duì)象已經(jīng)被析構(gòu)了，但是外部變量并不知道指針指向的對(duì)象已經(jīng)被析構(gòu)了，如果此時(shí)外部繼續(xù)使用了這個(gè)指針就會(huì)發(fā)生程序奔潰。既要像指針操作對(duì)象一樣，又能安全的析構(gòu)對(duì)象，很自然就想到，智能指針就很合適！我們來看下面這段程序：

#include <iostream>
#include <memory>

class Test{
public:
    Test(){
        std::cout << "Test::Test()" << std::endl;
    }
    ~Test(){
        std::cout << "Test::~Test()" << std::endl;
    }

    std::shared_ptr<Test> GetThis(){
        return std::shared_ptr<Test>(this);
    }
};

int main()
{
    std::shared_ptr<Test> p(new Test());
    std::shared_ptr<Test> p_this = p->GetThis();

    std::cout << p.use_count() << std::endl;
    std::cout << p_this.use_count() << std::endl;

    return 0;
}

編譯運(yùn)行后程序輸出如下：

free(): double free detected in tcache 2
Test::Test()
1
1
Test::~Test()
Test::~Test()

從上面的輸出可以看到，構(gòu)造函數(shù)調(diào)用了一次，析構(gòu)函數(shù)卻調(diào)用了兩次，很明顯這是不正確的。而std::enable_shared_from_this正是為了解決這個(gè)問題而存在。

std::enable_shared_from_this 能讓一個(gè)對(duì)象（假設(shè)其名為 t ，且已被一個(gè) std::shared_ptr 對(duì)象 pt 管理）安全地生成其他額外的 std::shared_ptr 實(shí)例（假設(shè)名為 pt1, pt2, ... ） ，它們與 pt 共享對(duì)象 t 的所有權(quán)(這個(gè)是關(guān)鍵，直接使用this無法達(dá)到該效果)。

std::enable_shared_from_this是模板類，內(nèi)部有個(gè)_Tp類型weak_ptr指針，std::enable_shared_from_this的構(gòu)造函數(shù)都是protected，因此不能直接創(chuàng)建std::enable_from_shared_from_this類的實(shí)例變量，只能作為基類使用，通過調(diào)用shared_from_this成員函數(shù)，將會(huì)返回一個(gè)新的 std::shared_ptr<T> 對(duì)象，它與 pt 共享 t 的所有權(quán)。因此使用方法如下代碼所示：

#include <iostream>
#include <memory>

// 這里必須要 public繼承，除非用struct
class Test : public std::enable_shared_from_this<Test> {
public:
    Test(){
        std::cout << "Test::Test()" << std::endl;
    }
    ~Test(){
        std::cout << "Test::~Test()" << std::endl;
    }

    std::shared_ptr<Test> GetThis(){
        std::cout << "shared_from_this()" << std::endl;
        return shared_from_this();
    }
};

int main()
{
    std::shared_ptr<Test> p(new Test());
    std::shared_ptr<Test> p_this = p->GetThis();

    std::cout << p.use_count() << std::endl;
    std::cout << p_this.use_count() << std::endl;

    return 0;
}

在類內(nèi)部通過 enable_shared_from_this 定義的 shared_from_this() 函數(shù)構(gòu)造一個(gè) shared_ptr<Test>對(duì)象, 能和其他 shared_ptr 共享 Test 對(duì)象。一般我們使用在異步線程中，在異步調(diào)用中，存在一個(gè)保活機(jī)制，異步函數(shù)執(zhí)行的時(shí)間點(diǎn)我們是無法確定的，然而異步函數(shù)可能會(huì)使用到異步調(diào)用之前就存在的變量。為了保證該變量在異步函數(shù)執(zhí)期間一直有效，我們可以傳遞一個(gè)指向自身的share_ptr給異步函數(shù)，這樣在異步函數(shù)執(zhí)行期間share_ptr所管理的對(duì)象就不會(huì)析構(gòu)，所使用的變量也會(huì)一直有效了（?；睿?。

shared_ptr使用注意事項(xiàng)：

• 不要把一個(gè)原生指針給多個(gè)shared_ptr管理；不要主動(dòng)刪除 shared_ptr 所管理的裸指針；

  BigObj *p = new BigObj();
  std::shared_ptr<BigObj> sp(p);
  std::shared_ptr<BigObj> sp1(p);
  delete p;

• 不要把this指針給shared_ptr，像上面一樣使用enable_shared_from_this；

• 不要不加思考地把指針替換為shared_ptr來防止內(nèi)存泄漏，shared_ptr并不是萬能的，而且使用它們的話也是需要一定的開銷的；

• 共享擁有權(quán)的對(duì)象一般比限定作用域的對(duì)象生存更久，從而將導(dǎo)致更高的平均資源使用時(shí)間；

• 在多線程環(huán)境中使用共享指針的代價(jià)非常大，這是因?yàn)槟阈枰苊怅P(guān)于引用計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)；

• 如果你使用智能指針管理的資源不是new分配的內(nèi)存，記住傳遞給它一個(gè)刪除器。

關(guān)于“C++智能指針之shared_ptr如何使用”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)，可以關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，小編每天都會(huì)為大家更新不同的知識(shí)點(diǎn)。