C++_智能指针
目录
一、智能指针的使用场景、基本概念
(1)因为抛异常而出现的资源泄漏的情况
二、RAII和智能指针的设计思路
三、c++标准库智能指针以及使用
(1)几种智能指针的概念
auto_ptr
unique_ptr
weak_ptr
不是new出来的资源要怎么释放
其他要点
(2)智能指针的原理
六、内存泄漏
什么是内存泄漏,内存泄漏的危害
如何避免内存泄漏
一、智能指针的使用场景、基本概念
(1)因为抛异常而出现的资源泄漏的情况
看到这一段代码
double Divide(int a, int b)
{
if (b == 0)
{
throw string("Divide by zero condition!");
}
else
{
return double(a) / b;
}
}
void Func()
{
//申请了资源
//此时Divide里面抛异常了就走不到后面的delete[],而是直接回到main中进行异常的捕获
//那么就出现了内存泄漏
int* arr1 = new int[10];
int* arr2 = new int[10];
int len = 0, time = 0;
cin >> len >> time;
Divide(len, time);
cout << "delete[] arr1" << endl;
cout << "delete[] arr2" << endl;
delete[] arr1;
delete[] arr2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const string errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (...)
{
cout << "Unkown errmsg" << endl;
}
return 0;
}
在没有除0情况出现时,程序在调用了Divide后会继续在Func里面执行;已知Divide之前是申请了资源的此时就可以正常走到delete[];
但是若是出现了除零情况,那么在Divide里面抛异常了就会直接返回到最近且匹配的catch也就是main里面的catch那么在Func函数里面调用Divide这行后面的代码就会因为抛异常而不会执行,那么就会出现资源没有被释放也就是内存泄漏的情况;
###解决方法:
在Func里面也设置异常捕捉的代码,捕捉之后先进行资源释放,之后再重新抛出异常给外层main处理,此时也可以解决:
改进代码:
double Divide(int a, int b)
{
if (b == 0)
{
throw string("Divide by zero condition!");
}
else
{
return double(a) / b;
}
}
void Func()
{
int* arr1 = new int[10];
int* arr2 = new int[10];
try
{
int len = 0, time = 0;
cin >> len >> time;
Divide(len, time);
}
catch(...)//中途捕捉异常进行资源释放
{
cout << "delete[] arr1" << endl;
cout << "delete[] arr2" << endl;
delete[] arr1;
delete[] arr2;
//重新抛出异常给原本应该处理异常的main处理
throw;
}
cout << "delete[] arr1" << endl;
cout << "delete[] arr2" << endl;
delete[] arr1;
delete[] arr2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const string errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (...)
{
cout << "Unkown errmsg" << endl;
}
return 0;
}
这样只能治标不治本,因为当上面的new也出现抛异常要怎么办?若是arr1抛异常那么情况正常,不会申请任何资源直接被main里面的catch捕捉;但是若是arr2new抛异常了,arr1需要被释放资源那么还要单独写一个释放arr1资源的try catch ;那么当有很多这样的资源申请时,为了避免内存泄漏那就要写很多针对于某种情况的try catch;这会十分复杂,为了解决这种问题,C++引入了智能指针。
二、RAII和智能指针的设计思路
RAII是resource requisition is initialization的缩写;这是一种管理资源类的设计思想,本质是一种利用对象的生命周期来管理获取到的动态资源,避免资源泄漏;这里的资源可以是内存、文件指针、网络连接、互斥锁等;
RAII在获取到资源时将资源委托一个对象,并且可以控制对资源的访问,资源在对象生命周期未结束时始终有效,最后在对象进行析构时释放资源,这样保证了资源的正常释放。
###针对于上面代码的智能指针的使用:
template<class T>
class Smart_Ptr
{
public:
Smart_Ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)//浅拷贝
{}
~Smart_Ptr()
{
cout << "delete[]" << endl;
delete _ptr;
}
T& operator *()
{
return *_ptr;
}
T* operator ->()
{
return _ptr;
}
T& operator [](const int i)
{
return _ptr[i];
}
private:
T* _ptr;
};
double Divide(int a, int b)
{
if (b == 0)
{
throw string("Divide by zero condition!");
}
else
{
return double(a) / b;
}
}
void Func()
{
Smart_Ptr<int> ptr1 = new int[10];
Smart_Ptr<int> ptr2 = new int[10];
int len = 0, time = 0;
cin >> len >> time;
Divide(len, time);
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const string errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (...)
{
cout << "Unkown errmsg" << endl;
}
return 0;
}
这样即使出现除零情况抛异常了,直接回到main,也不会有资源泄漏;因为当抛异常回到一个函数时,这个链中间的函数会进行栈展开,这些栈展开函数内部的对象生命周期结束了会进行析构;那么在这里就是ptr1和ptr2会自动析构,那么申请的资源就不会泄漏了。
三、c++标准库智能指针以及使用
说明:智能指针确实可以解决上面的问题;不过智能指针最重要的部分就是它的拷贝;我们知道智能指针是管理申请的资源之后能方便资源释放的,若是出现了拷贝,我们希望的拷贝出来的智能指针也管理的是同一份资源;因为被拷贝出来的智能指针不可能凭空去管理另一份资源,也没有新的资源去被它管理,所以此时的拷贝是为了多个智能指针对象共同管理一份资源;那么必然是浅拷贝;但是浅拷贝在析构时就会出现同一份资源释放多次的问题,重要的就是如何解决这个问题
(1)几种智能指针的概念
auto_ptr
auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针,他的特点是拷⻉时把被拷⻉对象的资源的管理权转移给 拷⻉对象,这是⼀个⾮常糟糕的设计,因为它会到被拷贝对象悬空,访问报错的问题,C++11设计 出新的智能指针后,强烈建议不要使⽤auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁⽌使⽤ 这个智能指针的。

unique_ptr

shared_ptr


weak_ptr
//简化版实现
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
//支持空的构造函数
weak_ptr()
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get();
}
private:
T* _ptr = nullptr;
};
不是new出来的资源要怎么释放
template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
template<class T>
class DeleteArray
{
public:
void operator()(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
};
class Fclose
{
public:
void operator()(FILE* ptr)
{
std::cout << "fclose:" << ptr << std::endl;
fclose(ptr);
}
};
int main()
{
// 这样实现程序会崩溃
// unique_ptr<Date> up1(new Date[10]);
// shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);
// 解决⽅案1
// 因为new[]经常使⽤,所以unique_ptr和shared_ptr
// 实现了⼀个特化版本,这个特化版本析构时⽤的delete[]
std::unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
std::shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);
// 解决⽅案2
// 仿函数对象做删除器
//unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
// unique_ptr和shared_ptr⽀持删除器的⽅式有所不同
// unique_ptr是在类模板参数⽀持的,shared_ptr是构造函数参数⽀持的
// 使⽤仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递,因为仿函数类型构造的对象直接就可以调⽤
// 但是下⾯的函数指针和lambda的类型不可以
//仿函数
std::unique_ptr<Date,DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);
std::shared_ptr<Date> sp2(new Date[5],DeleteArray<Date>());
//函数指针
std::unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5],DeleteArrayFunc<Date>);
std::shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
//lambda表达式
auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete ptr; };
std::unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);
std::shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);
//其他资源类型
std::unique_ptr<FILE, Fclose> up5(fopen("Test.cpp","r"), Fclose());
std::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test1.cpp", "r"),Fclose());
std::shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test2.cpp", "r"), [](FILE* ptr)
{
std::cout << "fclose:" << ptr << std::endl;
fclose(ptr);
});
return 0;
}
其他要点
int main()
{
//make_shared
std::shared_ptr<Date> sp1 = std::make_shared<Date>(100, 100, 100);
auto sp2 = std::make_shared<Date>(100, 100, 100);
//向operator bool 的类型转换
std::shared_ptr<Date> sp3 = std::make_shared<Date>(100, 100, 100);
std::shared_ptr<Date> sp4 = std::make_shared<Date>(100, 100, 100);
if (sp3)
std::cout << "sp3 is not nullptr" << std::endl;
else
std::cout << "sp3 is nullptr" << std::endl;
if (sp4)
std::cout << "sp4 is not nullptr" << std::endl;
else
std::cout << "sp4 is nullptr" << std::endl;
//explicit构造时不支持隐式类型转换
//std::shared_ptr<Date> sp5 = new Date(100,100,100);
std::shared_ptr<Date> sp5 (new Date(100, 100, 100));
return 0;
}
(2)智能指针的原理
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
//拷贝构造
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
//赋值重载
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
if (_ptr != ap._ptr)//防止自我赋值
{
if (_ptr)//先释放原来的资源,因为被赋值之后也没有管理它的了
delete _ptr;
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator * ()
{
return *_ptr;
}
T* operator & ()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
unique_ptr
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
explicit unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
//不持支拷贝构造和赋值重载
unique_ptr(unique_ptr<T>& up) = delete;
unique_ptr<T>& operator = (unique_ptr<T>& up) = delete;
//支持移动语义
unique_ptr(unique_ptr<T>&& up)
:_ptr(up._ptr)
{
up._ptr = nullptr;
}
unique_ptr<T>& operator = (unique_ptr<T>&& up)
{
if (_ptr != up._ptr)
{
if (_ptr)
delete _ptr;
_ptr = up._ptr;
up._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
T* operator & ()
{
return _ptr;
}
T& operator * ()
{
return *_ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
shared_ptr
赋值重载时若是没有判断自我赋值的情况,当计数器为1时,--计数器,此时会释放资源,后面又用到*_cnt,那么就出现了空指针的解引用,(智能指针的地址和其成员变量_ptr地址一样)
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
explicit shared_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
,_cnt(new int(1))//构造计数器就是1,代表此时新建了一个shared指针,并且这份资源开始被管理
{}
shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_cnt(sp._cnt)
{
//拷贝构造意味着多了一个管理这份资源的shared_ptr
//所以就让计数器++
++(*_cnt);
}
shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
{
//赋值重载
//首先让_ptr的计数器--,并且若是--之后计数器为0,则释放资源
//接着让_ptr指向的资源为sp管理的资源,并且让对应的计数器++
//注意:可能出现自我赋值的情况,此时判断一下就行
if (_ptr != sp._ptr)
{
if (--(*_cnt) == 0)
{
//释放资源
delete[] _ptr;
delete _cnt;
_ptr = nullptr;
_cnt = nullptr;
}
//赋值
_ptr = sp._ptr;
_cnt = sp._cnt;
++(*_cnt);
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
--(*_cnt);
if (*_cnt == 0)
{
delete[] _ptr;
delete _cnt;
_ptr = nullptr;
_cnt = nullptr;
}
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
int count_use()const
{
return *_cnt;
}
private:
T* _ptr;
int* _cnt;
};
基本的实现之后,还得处理不是new出来的资源的情况;
首先shared_ptr处理这种情况是将针对特定释放资源的仿函数、lambda表达式一类的方法传递给构造函数的第二个参数,之后这个对象在析构时就调用这个方法;
那么因为不是类型,而是具体的参数,所以shared_ptr类模板还是只有一个模板参数,但是在这个类中,要实现一份构造函数的函数模板用来接收构造时传的方法类型,从而后序能够使用;
但是这个参数在拷贝或者赋值时也要传给其他shared_ptr对象,所以应该把这个删除器类型置为成员变量,这样就能拷贝和赋值了;
这个成员变量要给缺省,因为一般情况下都是处理new出来的资源,所以不会传删除器,默认的删除器用delete;缺省值给的是方法也就是仿函数、lambda表达式,但是些方法没有固定类型,所以可以用包装器function接收。
具体代码:
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
explicit shared_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
, _cnt(new int(1))
{}
//支持有删除器的构造函数
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del)
: _ptr(ptr)
, _cnt(new int(1))
, _del(del)
{}
shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _cnt(sp._cnt)
, _del(sp._del)
{
++(*_cnt);
}
shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
{
//赋值重载
//首先让_ptr的计数器--,并且若是--之后计数器为0,则释放资源
//接着让_ptr指向的资源为sp管理的资源,并且让对应的计数器++
//注意:可能出现自我赋值的情况,此时判断一下就行
if (_ptr != sp._ptr)
{
if (--(*_cnt) == 0)
{
//释放资源
if (_ptr)
_del(_ptr);
if (_cnt)
delete _cnt;
_ptr = nullptr;
_cnt = nullptr;
}
//赋值
_ptr = sp._ptr;
_cnt = sp._cnt;
_del = sp._del;
++(*_cnt);
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
--(*_cnt);
if (*_cnt == 0)
{
if(_ptr)
_del(_ptr);
if(_cnt)
delete _cnt;
_ptr = nullptr;
_cnt = nullptr;
}
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
int use_count()const
{
return *_cnt;
}
private:
T* _ptr;
int* _cnt;
std::function<void(T*)> _del = [](T* ptr) { delete ptr; };
};
测试:
Test::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
//拷贝构造
Test::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
std::cout << "sp1: " << sp1.use_count() << std::endl;
//赋值重载
Test::shared_ptr<Date> sp3(new Date);
sp2 = sp3;
std::cout <<"sp1: " << sp1.use_count() << std::endl;
std::cout <<"sp3: " << sp3.use_count() << std::endl;
return 0;
delete的时候会去调用析构函数,释放动态开辟的资源
其他资源的释放
Test::shared_ptr<FILE> sp4(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
Test::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr)
{ std::cout << "fclose" << std::endl; delete ptr; });
Test::shared_ptr<Date> sp6(new Date[3], [](Date* ptr) {delete[] ptr; });
四、shared_ptr和weak_ptr
(1)shared_ptr循环引用

具体代码:
struct ListNode
{
int _data;
std::shared_ptr<ListNode> _next;
std::shared_ptr<ListNode> _prev;
//std::weak_ptr<ListNode> _next;
//std::weak_ptr<ListNode> _prev;
ListNode(int data = 0)
:_data(data)
{}
~ListNode()
{
std::cout << "~ListNode()" << std::endl;
}
};
int main()
{
std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode(1));
std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode(2));
std::cout << n1.use_count() << std::endl;
std::cout << n2.use_count() << std::endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
std::cout << n1.use_count() << std::endl;
std::cout << n2.use_count() << std::endl;
return 0;
}
结果没有析构
将_next _prev的类型改为weak_ptr:
引用计数数字不变,智能指针析构时delete调用listNode的析构函数:
五、shared_ptr的线程安全
#include<thread>
struct AA
{
int _a1 = 0;
int _a2 = 0;
~AA()
{
std::cout << "~AA()" << std::endl;
}
};
int main()
{
Test::shared_ptr<AA> p(new AA);
const size_t n = 100000;
mutex mtx;
auto func = [&]()
{
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这⾥智能指针拷⻉会++计数
Test::shared_ptr<AA> copy(p);
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_a1++;
copy->_a2++;
}
}
};
std::thread t1(func);
std::thread t2(func);
t1.join();
t2.join();
std::cout << p->_a1 << std::endl;
std::cout << p->_a2 << std::endl;
std::cout << p.use_count() << std::endl;
return 0;
}
shared_ptr本身是线程安全的,但是它管理的资源不是
六、内存泄漏
什么是内存泄漏,内存泄漏的危害
