C++-智能指针

编程语言 2023-04-07 00:11:15 阅读次数: 0

智能指针

智能指针的使用及原理

  1. malloc出来的空间，没有进行释放，存在内存泄漏的问题。
  2. 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常，那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安全。

解决以上问题需要用智能指针

RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

  • 不需要显式地释放资源。
  • 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。
#include<iostream>
#include<exception>
using namespace std;
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
    
    
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{
    
    }
	
	~SmartPtr()
	{
    
    
		if (_ptr)
		{
    
    
			cout << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
			
	}

private:
	T* _ptr;
};
void MergeSort() 
{
    
    
	int* tmp = new int(1);
	SmartPtr<int> sp(tmp);
	
}
int main()
{
    
    
	try {
    
    
		MergeSort();
	}
	catch (const exception& e)
	{
    
    
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。

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

template<class T>
class SmartPtr {
    
    
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{
    
    }
	~SmartPtr()
	{
    
    
		if (_ptr) 
			delete _ptr;
	}

	T& operator*() 
	{
    
     
		return *_ptr; 
	}
	T* operator->() 
	{
    
     
		return _ptr; 
	}
private:
	T* _ptr;
};


struct Date
{
    
    
	Date()
		:_year(0)
		,_month(0)
		,_day(0)
	{
    
    }
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
    
    
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10;
	cout << *sp1 << endl;

	SmartPtr<Date> sparray(new Date);

	sparray->_year = 2018;
	sparray->_month = 1;
	sparray->_day = 1;
}

总结智能指针的原理：

  1. RAII特性
  2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

std::auto_ptr

auto_ptr的实现原理：


	template<class T>
	class auto_ptr
	{
    
    
	public:
		// 1、RAII
		// 2、重载operator* 和 operator->  用起来像指针一样
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		// sp2(sp1) 管理权转移
		auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
    
    
			sp._ptr = nullptr;
		}
		
		// ap2 = ap3;
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
    
    
			if (this != &ap)
			{
    
    
				delete _ptr;
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}

		~auto_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				delete _ptr;
				cout << _ptr << endl;
			}
		}

		T& operator*()
		{
    
    
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
    
    
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
	};

注：

  • 这种方式是一种失败的设计，被质疑很久，一般公司都要求不要使用它。
  • C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针
  • C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
  • auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
  • C++98中设计的auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr

std::unique_ptr

unique_ptr的实现原理


	template<class T>
	class unique_ptr
	{
    
    
	public:
		// 1、RAII
		// 2、重载operator* 和 operator->  用起来像指针一样
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		// 防拷贝
		unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;

		~unique_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				delete _ptr;
				cout << _ptr << endl;
			}
		}

		T& operator*()
		{
    
    
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()
		{
    
    
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};

注意：

  • C++98 – 2011年中间这段，大家在使用boost库（第三方库）的智能指针

  • C++11 吸收了boost库中有价值的一些设计，将 boost – scoped_ptr shared_ptr weak_ptr这些智能指针转为C++11中的 – unique_ptr shared_ptr weak_ptr

  • 设计思路，有些场景下面，智能指针仅仅用于管理资源，不需要拷贝。

std::shared_ptr

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

  1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
  2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
  3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；
  4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

模拟实现一份简答的shared_ptr


	template<class T>
	struct DefaultDel
	{
    
    
		void operator()(T* ptr)
		{
    
    
			delete ptr;
		}
	};

	template<class T,class D = DefaultDel<T>>
	class shared_ptr
	{
    
    
		template<class T>
		friend class weak_ptr;
	public:
		explicit shared_ptr(T* ptr=nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_pCount(new int)
			,_pMtx(new mutex)
		{
    
    }

		void add_ref()
		{
    
    
			_pMtx->lock();
			(*_pCount)++;
			_pMtx->unlock();
		}

		void release_ref()
		{
    
    
			bool flag = false;
			_pMtx->lock();
			if (--(*_pCount) == 0 && _ptr)
			{
    
    
				
				D del;
				del (_ptr);
				delete _pCount;
				flag = true;
				_ptr = nullptr;
			}
			_pMtx->unlock();
			if (flag)
				delete _pMtx;
		}

		shared_ptr(shared_ptr<T, D>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			,_pCount(sp._pCount)
			,_pMtx(sp._pMtx)
		{
    
    
			add_ref();
		}


		/*shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
		
			if (_ptr!=sp._ptr)
			{

				release_ref();
				
				_ptr = sp._ptr;
				_pCount = sp._pCount;
				_pMtx = sp._pMtx;
				add_ref();
			}
			return *this;
		}*/

		shared_ptr<T, D>& operator=(shared_ptr<T, D> sp)
		{
    
    
			swap(_ptr, sp._ptr);
			swap(_pCount, sp._pCount);
			swap(_pMtx, sp._pMtx);
			return *this;
		}

		~shared_ptr()
		{
    
    
			release_ref();
		}

		T& operator*()
		{
    
    
			return *_ptr;
		}

		T* operator ->()
		{
    
    
			return _ptr;
		}

		T* get()
		{
    
    
			return _ptr;
		}

		int use_count()
		{
    
    
			return *_pCount;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pCount;
		mutex* _pMtx;
	};
  • 设计思路：多个智能指针对象管理一块资源，这块资源，对应一个引用计数，析构时–计数，计数等于0时表示是最后一个管理对象，就释放资源

注意：

  • shared_ptr的线程安全问题分为两方面：

    1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以智能指针中引用计数++、–是需要加锁的，这样才能说引用计数的操作是线程安全的。
    1. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。

补充：

  • 模拟实现删除器的传递位置跟std的不太一样
  • std的框架设计底层用一个类专门管理资源计数和释放，所以它可以再构造函数传参，把删除器类型传递给专门管理资源的这个类。
  • 而模拟实现的这个是一体化的，只能lc::shared_ptr给删除器，析构函数才能拿到删除器

std::shared_ptr的循环引用、std::weak_ptr

weak_ptr的原理的模拟实现：

	template<class T>
	class weak_ptr
	{
    
    
	public:
		weak_ptr()
			:_ptr(nullptr)
		{
    
    }

		weak_ptr(shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pCount(sp._pCount)
		{
    
    }

		weak_ptr(weak_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pCount(sp._pCount)
		{
    
    }

		weak_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
		{
    
    
			_ptr = sp._ptr;
			_pCount = sp._pCount;

			return *this;
		}

		weak_ptr<T>& operator=(weak_ptr<T>& sp)
		{
    
    
			_ptr = sp._ptr;
			_pCount = sp._pCount;

			return *this;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pCount;
	};

注意：

  • weak_ptr不是常规意义的智能指针，没有接收一个原生指针的构造函数也不符合RAIl
  • weak_ptr的对象，可以访问指向节点资源但是不参与节点资源释放管理，其实就是不增加计数

循环引用举例：

// 循环引用
struct ListNode
{
    
    
	//问题：
	//std::shared_ptr<ListNode> _prev;
	//std::shared_ptr<ListNode> _next;
	//解决方案：
	std::weak_ptr<ListNode> _prev;
	std::weak_ptr<ListNode> _next;


	int val = 100;

	~ListNode()
	{
    
    
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};


void test_cycle_ref()
{
    
    
	std::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	//std::shared_ptr<ListNode> n3(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;

	std::shared_ptr<ListNode> cur = node1;
	while (cur.get() != nullptr)
	{
    
    
		cur->val++;
		cout << cur->val << " ";
		cur = cur->_next.lock();
		// cur->_next.lock()  weak_ptr的lock用指向的资源构造了一个shared_ptr
	}
	cout<<endl;

}

int main()
{
    
    
	test_cycle_ref();
	return 0;
}

循环引用分析：

  1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
  2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
  3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
  4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
  5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
  6. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放

在这里插入图片描述
补充：
如果不是new出来的对象，可以使用shared_ptr （shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题）

在这里插入图片描述

C++11和boost中智能指针的关系

  1. C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
  2. C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
  3. C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
  4. C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

补充：

  • 内存泄漏解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
  • RAII思想除了可以用来设计智能指针，还可以用来设计守卫锁，防止异常安全导致的死锁问题。
#include <thread>
#include <mutex>
// C++11的库中也有一个lock_guard，
template<class Mutex>
class LockGuard
{
    
    
public:
	LockGuard(Mutex& mtx)
		:_mutex(mtx)
	{
    
    
		_mutex.lock();
	}
	~LockGuard()
	{
    
    
		_mutex.unlock();
	}
	LockGuard(const LockGuard<Mutex>&) = delete;
private:
	// 注意这里必须使用引用，否则锁的就不是一个互斥量对象
	Mutex& _mutex;
};
mutex mtx;
static int n = 0;
void Func()
{
    
    
	for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i)
	{
    
    
		LockGuard<mutex> lock(mtx);
		++n;
	}
}
int main()
{
    
    
	int begin = clock();
	thread t1(Func);
	thread t2(Func);
	t1.join();
	t2.join();
	int end = clock();
	cout << n << endl;
	cout << "cost time:" << end - begin << endl;

	return 0;
}

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