C++智能指针auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr的实现及原理。

编程语言 2019-01-16 21:03:48 阅读次数: 0

1.为什么需要智能指针？

我们先分析一下下面这段程序

#include <vector> 


void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{  
	if (left >= right) return; 
	int mid = left + ((right - left) >> 1); 
	// [left, mid]    // [mid+1, right]  
	_MergeSort(a, left, mid, tmp); 
	_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);

	int begin1 = left, end1 = mid;  
	int begin2 = mid + 1, end2 = right; 
	int index = left;  
	while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)
	{
		if (a[begin1] < a[begin2])  
			tmp[index++] = a[begin1++];
		else        
			tmp[index++] = a[begin2++];
	}

	while (begin1 <= end1) 
		tmp[index++] = a[begin1++];

	while (begin2 <= end2)  
		tmp[index++] = a[begin2++];

	memcpy(a + left, tmp + left, sizeof(int)*(right - left + 1));
}
void MergeSort(int* a, int n)
{
	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);  
	_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);       
	// 这里假设处理了一些其他逻辑    
	vector<int> v(1000000000, 10);   
	// ...      
	// free(tmp);
}

int main()
{
		int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };    
		MergeSort(a, 5);

		return 0;
}

 我们发现：

  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。

2.智能指针的使用及原理

2.1RAII

RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内粗，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。这样的做法有两大好处：

  1. 不需要显示的释放资源
  2. 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
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

void MergeSort(int* a, int n)
{
	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);

	SmartPtr<int> sp(tmp);

	vector<int> v(10000000, 10);
}

int main()
{
	try
	{
		int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
		MergeSort(a, 5);
		
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

 2.2智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为他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，才能让其像指针一样去使用。

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
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;

};
int main() {
	
	SmartPtr<Date> sparray(new Date); 
	// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
	// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->    
	sparray->_year = 2018; 
	sparray->_month = 1;  
	sparray->_day = 1; 
}

2.3std::auto_ptr

  特点：采用管理权转移，拷贝时会导致对象悬空，设计有缺陷，不建议使用

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示auto_ptr的使用及问题。

//C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include<memory>
class Date
{
public:
	Date()
	{
		cout << "Date()" << endl;
	}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	auto_ptr<Date> ap(new Date);
	auto_ptr<Date> copy(ap);
	//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。
	ap->_year = 2018;
}

 auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理

template<class T>
class AutoPtr
{
public:
	AutoPtr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~AutoPtr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
		}
	}
	//一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另外ap与其所管理资源断开联系
	//这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序崩溃问题
	AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
		:_ptr(ap._ptr)
	{
		ap._ptr = nullptr;
	}
	AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
	{
		//检查是否为自己给自己赋值
		if (this != &ap)
		{
			//释放当前对象中资源
			if (_ptr)
				delete _ptr;
			//转移ap中资源到当前对象中
			_ptr = ap._ptr;
			ap._ptr = nullptr;
		}
		return *this;
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};
struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _date;
};
int main()
{
	AutoPtr<Date> ap(new Date);

	//现在再从实现原理层来分析会发现，这里拷贝后把ap对象的指针赋空了，导致ap对象悬空
	//通过ap对象访问资源时就会出现问题。
	AutoPtr<Date> copy(ap);
	ap->_year = 2018;
	cout << ap->_year << endl;
	return 0;
}

 2.4std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr

特点：防拷贝，简单粗暴，建议使用
缺点：不能拷贝

#include<memory>
struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _date;
};
int main()
{
	unique_ptr<Date> up(new Date);
	//unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值
	unique_ptr<Date> copy(up);
	return 0;
}

 unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解他的原理

template<class T>
class UniquePtr
{
public:
	UniquePtr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~UniquePtr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
		}
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	//C++98防拷贝的方式：只声明不实现+声明成私有
	UniquePtr(UniquePtr<T> const&);
	UniquePtr &operator = (UniquePtr<T> const&);

	//C++11防拷贝的方式：delete
	UniquePtr(UniquePtr<T> const&) = delete;
	UniquePtr &operator = (UniquePtr<T> const&) = delete;
private:
	T* _ptr;
};

 2.5std::shared_ptr

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

#include<memory>
struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _date;
};
int main()
{
	//shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝
	shared_ptr<Date> sp(new Date);
	shared_ptr<Date> copy(sp);
	cout << "ref count:" << sp.use_count() << endl;
	cout << "ref count:" << copy.use_count() << endl;
	return 0;
}

 shared_ptr的原理：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。

下面模拟实现了一份简单的shared_ptr，了解原理

#include<memory>
#include<thread>
#include<mutex>

template<class T>
class SharedPtr
{
public:
	SharedPtr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
		, _pRefCount(new int(1))
		, _pMutex(new mutex)
	{
		//如果是一个空指针对象，则引用计数给0;
		if (_ptr == nullptr)
		{
			*_pRefCount = 0;
		}
	}
	~SharedPtr()
	{
		Release();
	}
	SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _pRefCount(sp._pRefCount)
		, _pMutex(sp._pMutex)
	{
		//如果是一个空指针对象，则不加引用计数，否则才加引用计数
		if (_ptr)
		{
			AddRefCount();
		}
	}
	//sp1 = sp2
	SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
	{
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			//释放管理的旧资源
			Release();
			//共享管理新对象的资源，并增加引用计数
			_ptr = sp._ptr;
			_pRefCount = sp._pRefCount;
			_pMutex = sp._pMutex;

			if (_ptr)
			{
				AddRefCount();
			}
		}
		return *this;
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	int UseCount()
	{
		return *_pRefCount;
	}
	T* Get()
	{
		return _ptr;
	}
	int AddRefCount()
	{
		//加锁或者使用加一的原子操作
		_pMutex->lock();
		++(*_pRefCount);
		_pMutex->unlock();
		return *_pRefCount;
	}
	int SubRefCount()
	{
		//加锁或者试用减一操作
		_pMutex->lock();
		--(*_pRefCount);
		_pMutex->unlock();
		return *_pRefCount;
	}
private:
	void Release()
	{
		//引用计数减1，如果减到0，就释放资源
		if (_ptr && SubRefCount() == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _pRefCount;
		}
	}
private:
	int* _pRefCount;//引用计数
	T* _ptr; //指向管理资源的指针
	mutex* _pMutex;//互斥锁
};
int main()
{
	SharedPtr<int> sp1(new int(10));
	SharedPtr<int> sp2(sp1);
	*sp2 = 20;
	cout << sp1.UseCount() << endl;
	cout << sp2.UseCount() << endl;

	SharedPtr<int> sp3(new int(10));
	sp2 = sp3;
	cout << sp1.UseCount() << endl;
	cout << sp2.UseCount() << endl;
	cout << sp3.UseCount() << endl;

	sp1 = sp3;
	cout << sp1.UseCount() << endl;
	cout << sp2.UseCount() << endl;
	cout << sp3.UseCount() << endl;
	return 0;
}

运行结果如下：

 

std::shared_ptr的线程安全问题

可以通过下面的程序来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

  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，也就是说引用计数的操作是线程安全的
  2. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程同时去访问，会导致线程安全问题。
//1.演示引用计数线程安全问题，就把AddRefCount和SubRefCount中的锁去掉
//2.演示可能不出现线程安全问题，因为线程安全问题是偶现性问题，main函数的n改大一些概率就变大了，就容易出现了
//3.下面代码使用SharedPtr演示，是为了方便演示引用计数的线程安全问题，
//将代码中的SharedPtr换成shared_ptr进行测试，可以验证库的shared_ptr,发现结论是一样的。
void SharePtrFunc(SharedPtr<Date>& sp, size_t n) 
{
	cout << sp.Get() << endl;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{       
		// 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。  
		SharedPtr<Date> copy(sp);

		// 这里智能指针访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n次，但是最 终看到的结果，并一定是加了2n  
		copy->_year++;     
		copy->_month++;   
		copy->_day++;    
	}
}

int main()
{
			
	SharedPtr<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;
}

 std::shared_ptr的循坏引用

#include<memory>
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;
}

 循坏引用分析：

  1. node1和node2两个智能指针对象指向两个结点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
  2. node1和_next指向node2，node2的_prev还指向下一个结点。但是_prev还指向上一个节点。
  3. node1和node2析构，引用计数减一，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。

解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了

原理：node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加 node1和node2的引用计数。 

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

 weak_ptr不是RAII
1.没有增加引用计数
2.weak_ptr，析构函数不释放资源，不是RAII
3.weak_ptr是shared_ptr的辅助，解决循坏引用。

如果不是new出来的对象如何解决智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题

template<class T> 
struct FreeFunc 
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "free:" << ptr << endl;  
		free(ptr);
	}
};

template<class T> 
struct DeleteArrayFunc
{ 
	void operator()(T* ptr) 
	{ 
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	} 
};

int main()
{
	FreeFunc<int> freeFunc; 
	shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
	DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc; 
	shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4),deleteArrayFunc); 
	return 0;
}

3.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并不是标注那边。
  4. C++11，引入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中实现的。

4.RAII扩展学习 

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，下面的LockGuard造轮子其实就是为了学习他的原理 
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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