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c++11:智能指针

2024-08-05 01:41:46   217人阅读

我们在程序运行的过程中，经常出现段错误、内存持续增大等，是C++显式内存管理存在的问题，主要归纳为以下几点：

  1. 野指针：一些内存单元已经释放，但之前指向它的指针还在使用。
  2. 重复释放：程序试图释放已经被释放过的内存单元。
  3. 内存泄漏：没有释放不再使用的内存单元。
  4. 缓冲区溢出：数组越界。
  5. 不配对的new[]/delete

针对以上1～3的问题，C++标准中提供了智能指针来解决。
智能指针是基于RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制实现的类(模板)，具有指针的行为(重载了operator*与operator->操作符)。当对象创建的时候，进行初始化；离开其作用域后，通过自动调用析构函数释放资源。

C++98中，智能指针通过一个模板类型"auto_ptr"来实现，auto_ptr对象通过初始化指向由new创建的动态内存，当auto_ptr对象生命周期结
束时，其析构函数会将auto_ptr对象拥有的动态内存自动释放。即使发生异常，通过异常的栈展开过程也能将动态内存释放。但其有一些缺点：

  • 赋值和拷贝操作的目标对象会先释放其原来所拥有的对象
    auto_ptr<int> ap1(new int(100));
        auto_ptr<int> ap2(ap1);
        // ap1 == nullptr;

    auto_ptr 不能用在stl容器中，因为stl容器要求存储的类型必须为值语义类型。即两个对象在拷贝或赋值之后相等(ap1 == ap2)

  • auto_ptr 析构的时候调用的是delete，所以不能用auto_ptr管理数组指针
    ~auto_ptr() { delete _M_ptr; }

因此，在C++11标准中，改用unique_ptr、shared_ptr及weak_ptr等智能指针来对动态内存进行管理。auto_ptr为了兼容以前的代码被遗留下来，不建议使用。

头文件

<memory>

命名空间为

 std

unique_ptr

概念：
  • unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现std::move()）。* unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现std::move()）。
  • unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。
  • unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。
基本用法：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
 
using namespace std;
 
struct Foo {
    Foo() {}
    ~Foo() {}
    void Print() { cout << "Foo" << endl; }
};
 
int main(void)
{
    Foo* p1 = new Foo();
    unique_ptr<Foo> up1;       // up1==nullptr
//  up1 = p1;                  // 编译错误，不支持这样赋值
    up1.reset(p1);             // 替换管理对象，并释放之前管理的对象
    p1 = nullptr;
 
//  unique_ptr<Foo> up2(up1);  // 编译错误，不支持这样构造
    unique_ptr<Foo> up2(std::move(up1)); // up1所有权转移到up2。up1==nullptr
 
    up1.swap(up2);             // up2与up1管理对象的指针交换。 up2==nullptr
 
    if (up1) {                 // up1 != nullptr
        up1->Print();          // unique_ptr重载了->
        (*up1).Print();        // unique_ptr重载了*
    }
//  up2->Print();              // 错误 up2 == nullptr, 必须先判断再调用
 
    p1 = up1.get();            // get() 返回所管理对象的指针, up1继续持有其管理权
    p1 = up1.release();        // release() 返回管理对象的指针，并释放管理权，up1==nullptr
    delete p1;
 
    unique_ptr<Foo> up3(new Foo());
    up3.reset();                // 显示释放释放管理对象的内存，也可以这样做：up = nullptr;
    vector<unique_ptr<Foo>> v;
    unique_ptr<Foo> up4(new Foo());
//  v.push_back(up4);            // 编译错误，不支持这样拷贝
    v.push_back(std::move(up4);  // 只能up4放弃对其所有权，通过std::move()将所有权转移到容器中
 
    return 0;
}
应用场景：
  • 只要unique_ptr智能指针创建成功，其析构都会被调用，确保动态资源的释放------避免内存泄漏。
  • 把unique_ptr作为引用参数，传递给其他例程，不用担心该指针在例程中被copy一份，或不小心释放掉。

shared_ptr

概念：
  • shared_ptr 基于“引用计数”模型实现, 多个shared_ptr对象可以拥有同一个动态对象，并维护了一个共享的引用计数。当最后一个指向该对象的shared_ptr被销毁或者reset时，会自动释放其所指的对象，回收动态资源。
  • 销毁该对象时，使用默认的delete/delete[]表达式，或者是在构造 shared_ptr 时传入的自定义删除器（deleter），以实现个性化的资源释放动作。
基本用法：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
#include <assert.h>
 
using namespace std;
 
struct Foo {
    int v;
};
 
int main(void)
{
    shared_ptr<Foo> sp1(new Foo{10});
    cout << sp1.unique() << endl;    // 1 当前shared_ptr唯一拥有Foo管理权时，返回true，否则返回false
    cout << sp1.use_count() << endl; // 1 返回当前对象的引用计数
 
    shared_ptr<Foo> sp2(sp1);
    assert(sp1->v == sp2->v);        // sp1与sp2共同拥有Foo对象
    cout << sp2.unique() << endl;    // 0 false
    cout << sp2.use_count() << endl; // 2
 
    sp1.reset();                     // 释放对Foo的管理权，同时引用计数减1
    assert(sp1 == nullptr);          // sp1 为空
    cout << sp1.unique() << endl;    // 0 不会抛出异常
    cout << sp1.use_count() << endl; // 0 不会抛出异常
    cout << sp1.get() << endl;       // 0 不会跑出异常
//  cout << sp1->v << endl;          // 执行错误 sp1为nullptr时，operator* 和 operator-> 都会导致未定义行为
 
    cout << sp2.unique() << endl;    // 1 true
    sp1.swap(sp2);                   // sp1与sp2交换管理权,及引用计数
    assert(sp2 == nullptr);
    cout << (*sp1).v << endl;        // 10 同sp1->v相同
 
    vector<shared_ptr<Foo>> vec;
    vec.push_back(sp1);
    cout << sp1.use_count() << endl; // 2
 
    return 0;
// vector先析构，里面存储的对象引用计数减1，但不为0，不释放对象
// sp1后析构，引用计数减1，变为0，释放所指对象的内存资源
}
主要方法:
T& operator*() const;
T* operator->() const;
T* get() const;
bool unique() const;
long use_count() const;
void swap(shared_ptr<T>& b);
应用场景：

    1. 在一个map（unordered_map)中，多key索引一个value，使用shared_ptr。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <map>
#include <cstdint>
 
using namespace std;
 
Class SessionNode {
public:
    SessionNode() {}
    virtual ~SessionNode() {}
};
typedef std::shared_ptr<SessionNode> SessionNodeSP;
 
int main(void)
{
    map<uint64_t, SessionNodeSP> map;
    uint64_t imsi = 4600000;
    uint32_t tmsi = 0x12345;
    {
        SessionNodeSP sp(new SessionNode());
        map[imsi] = sp;
        map[tmsi] = sp;
        cout << sp.use_count() << endl;  // 3
    } // sp 销毁，引用计数减1，变为2
 
    map.erase(tmsi);  // use_count()为1
    map.erase(imsi);  // use_count()为0，释放被管理对象的内存
 
    return 0;
}

    2. 多个map索引同一value

#include <iostream>
#include <memory>
#include <map>
#include <cstdint>
 
using namespace std;
 
struct Node {
    uint64_t imsi;
    uint32_t tmsi;
};
typedef std::shared_ptr<Node> NodeSP;
 
class Session {
public:
    Session() {}
    ~Session() {}
    NodeSP GetNode(uint64_t imsi, uint32_t tmsi) {
        NodeSP sp(new Node{imsi, tmsi});
        imsi_map_[imsi] = sp;
        tmsi_map_[tmsi] = sp;
        return sp;
    }
    void EraseNode(NodeSP& sp) {
        if (sp == nullptr)
            return;
        imsi_map_.erase(sp->imsi);
        imsi_map_.erase(sp->tmsi);
    }
private:
    map<uint64_t, NodeSP> imsi_map_;
    map<uint32_t, NodeSP> tmsi_map_;
};
 
int main(void)
{
    Session ses;
    uint64_t imsi = 4600000;
    uint32_t tmsi = 0x12345;
 
    NodeSP sp;
    sp = ses.GetNode(imsi, tmsi);
    cout << sp.use_count() << endl; // 3
 
    // ... do something with sp
 
    ses.EraseNode(sp);
    cout << sp.use_count() << endl; // 1
 
    sp.reset(); // 主动释放被管理对象内存
 
    return 0;
}

    3. 防止裸指针被删除

#include <iostream>
#include <memory>
 
class Cdr  {
public:
    Cdr() {}
protected:
    virtual ~Cdr() {}
};
 
class SignalCdr : public Cdr {
public:
    SignalCdr() {}
    virtual ~SignalCdr() {}
};
 
typedef std::shared_ptr<Cdr> CdrSP;
CdrSP CreateSignalCdr()
{
    CdrSP sp(new SignalCdr());
    return sp;
};
 
int main(void)
{
    CdrSP sp_cdr = CreateSignalCdr();
    SignalCdr* p_signal_cdr = reinterpret_cast<SignalCdr*>(sp_cdr.get());
    // ... do something
//  delete p_signal_cdr; // 执行错误，~Cdr()为protected
 
    return 0;
}

    4. 定制删除器。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
using namespace std;
 
 
class FileCloser {
public:
    void operator()(FILE* p) {
        // ... do something
        cout << "close file" << endl;
        fclose(p);
    }
};
 
int main(void)
{
    try {
        FILE* p_file = fopen("./test.cpp", "r");
        if (p_file == nullptr)
            throw errno;
 
 
        shared_ptr<FILE> sp_file(p_file, FileCloser());
//      shared_ptr<FILE> sp_file(p_file, &fclose);  //如果只需要调用一个单参数的函数，可以直接这么写
        // ... do something
    } catch (int& err) {
        cout << strerror(err) << endl;
    }
 
    return 0;
}

    5. 在引起循环引用的时候使用weak_ptr。

#include <iostream>
#include <memory>
 
using namespace std;
struct Husband;
struct Wife;
typedef std::shared_ptr<Husband> HusbandSP;
typedef std::shared_ptr<Wife>    WifeSP;
 
struct Wife {
    ~Wife() { cout<< "wife distroy" << endl; }
    HusbandSP sp_hb;
};
struct Husband {
    ~Husband() { cout<< "husband distroy" << endl; }
    WifeSP sp_wf;
};
 
int main(void)
{
    {
        HusbandSP husband(new Husband());
        WifeSP    wife(new Wife());
        husband->sp_wf = wife;
        wife->sp_hb = husband;
    } // husband 和 wife，相互引用，离开作用域时引用计数都为1，造成内存泄露
 
    return 0;
}

weak_ptr

概念：
  • weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，它只能够通过shared_ptr或者weak_ptr来构造。
  • weak_ptr是作为shared_ptr的”观察者“,并不修改shared_ptr所管理对象的引用计数，当shared_ptr销毁时，weak_ptr会被设置为空，所以使用weak_ptr比底层指针的好处在于能够知道所指对象是否有效
  • weak_ptr不具有普通指针的行为，因为没有重载operator*和->。所以当weak_ptr观察的对象存在，并且需要修改其内容时，需要提升为shared_ptr来操作。
基本用法：
#include <iostream>
#include <memory>
 
using namespace std;
 
struct Cdr{
    int v;
};
typedef std::shared_ptr<Cdr> CdrSP;
typedef std::weak_ptr<Cdr>   CdrWP;
 
void UpdateCdr(CdrWP wp)
{
    if (wp.expired() == false) {   // 检查被管理对象是否被删除，true 删除，false 没被删除；比use_count()==1要快
        CdrSP sp = wp.lock();      // 提升为强引用
//      CdrSP sp(wp);              // 另一种wp提升为强引用方法
        if (sp != nullptr) {       // 若提升失败，shared_ptr 为 nullptr，此例子不会失败
            sp->v *= 2;
            cout << sp.use_count() << endl; // 此时引用计数为2
        }
    } // sp删除，引用计数减1
    wp.reset(); // 显示释放所有权，或者等离开作用域会自动释放
}
 
int main(void)
{
    CdrSP sp(new Cdr{10});
 
    UpdateCdr(sp);  // 对sp进行操作
 
    cout << sp->v << endl;  // 20
 
    return 0;
}
主要方法：
long use_count() const;
bool expired() const;
std::shared_ptr<T> lock() const;
应用场景：
  1. 如基本用法，通过weak_ptr观察shared_ptr管理的对象，如果有效，提升为shared_ptr进行操作。
  2. map中存储弱引用
    #include <iostream>
    #include <memory>
    #include <map>
     
    using namespace std;
     
    struct Cdr {
        int v;
    };
    typedef std::shared_ptr<Cdr> CdrSP;
    typedef std::weak_ptr<Cdr>   CdrWP;
     
    class Cache {
    public:
        Cache() {}
        ~Cache() {}
        void UpdateIndex(CdrSP& sp) {
            if (sp != nullptr && sp->v > 0)
                cdr_map_[sp->v] = sp;
        }
    private:
        map<int, CdrWP> cdr_map_;
    };
     
    int main(void)
    {
        Cache cache;
        CdrSP sp_cdr(new Cdr{1});
     
        cache.UpdateIndex(sp_cdr);
        cout << sp_cdr.use_count() << endl; // 1
     
        return 0;
    // sp_cdr销毁，引用计数为1，释放管理对象内存
    // cache销毁，因为map中存储的为weak_ptr，weap_ptr为空，所以不会产生二次释放
    }

bad_weak_ptr异常捕获

当shared_ptr通过weak_ptr参数构造，而weak_ptr指向一个已经被删除的对象时，会抛出std::bad_weak_ptr异常。

#include <iostream>
#include <memory>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    shared_ptr<int> sp1(new int(1));
    weak_ptr<int> wp(sp1);
    p1.reset();
    try {
        shared_ptr<int> sp2(wp);
    } catch (const std::bad_weak_ptr& e) {
        cout << e.what() << endl;    // "std::bad_weak_ptr"
    }
}

从this创建shared_ptr

有时候，需要从this获得 shared_ptr ，即是说，你希望你的类被shared_ptr所管理，你需要把"自身"转换为shared_ptr的方法。

#include <iostream>
#include <memory>
 
 
using namespace std;
 
class Foo;
typedef std::shared_ptr<Foo> FooSP;
 
void DoSomething(const FooSP& sp) {
    cout << sp.use_count() << endl; // 2
}
 
class Foo : public std::enable_shared_from_this<Foo> {
public:
    Foo() {}
    ~Foo() {}
    void Do() {
        DoSomething(shared_from_this());
    }
};
 
int main(void)
{
    FooSP sp(new Foo());
    cout << sp.use_count() << endl; // 1
 
    sp->Do();
 
    return 0;
}

总结：

  • unique_ptr/shared_ptr中，get()把底层指针暴露出来，为的是兼容老程序，一般不提倡使用，因为很难确保别的例程会对这个指针做什么，比如说delete/delete[]。
  • 作为shared_ptr和weak_pt作为参数传递时，使用引用传递以减小开销。
  • weak_ptr 没有重载operator==，所以不能比较。shared_ptr可以比较，比较的是里面底层指针。
  • auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr，不能这样用
    {
        int* p = new int(100);
        auto_ptr<int> ap1(p);
        auto_ptr<int> ap2(p);
    }

    当离开作用域，ap1和ap2都试图删除p，会造成double free。

  • 使用智能指针虽然不需要手动处理引用计数和调用delete来释放资源。但要清楚什么时候资源会被释放。
    例如：用容器来存储shared_ptr，并且从容器中删除的时候释放资源，那么其他例程在使用shared_ptr时只是更新其资源；
    如果从容器中删除shared_ptr时不释放资源，那么应该被另外一个shared_ptr所共享；这个时候容器中存储weak_ptr更合适。

引用：

英文网址：
http://en.cppreference.com/w/cpp/memory

中文网址（google 机器翻译）：
http://zh.cppreference.com/w/cpp/memory

标签:
 

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