c++进阶--智能指针
大家好，今天我们来学习一下c++中的智能指针部分。
智能指针的使⽤及其原理
1. 智能指针的使⽤场景分析
下⾯程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后⾯的delete没有得到执⾏，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本⾝也可能抛异常，连续的两个new和下⾯的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很⿇烦。智能指针放到这样的场景⾥⾯就让问题简单多了。
double Divide(int a, int b)
{
// 当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
throw "Divide by zero condition!";
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
void Func()
{
// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array和array2没有得到释放。
// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。
// 但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案
// 是智能指针，否则代码太戳了
int* array1 = new int[10];
int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢
try
{
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
}
catch (...)
{
cout << "delete []" << array1 << endl;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array1;
delete[] array2;
throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
}
// ...
cout << "delete []" << array1 << endl;
delete[] array1;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
}我们在上节异常最后时说到，当我们抛出异常后，那些在函数调用链中申请的资源有可能不会被释放，这时需要catch( . . . )来捕获异常，将资源释放掉之后再将异常重新抛出。
此时我们在func中申请了两个数组，但new也是可以抛出异常的，若在申请array1时抛出异常，则不用管，若是在申请array2时抛出异常，则需要将array1的资源进行释放，所以要对array2再进行一次捕获异常判断，在申请的资源很多时这种方法明显是不可取的，所以要使用更好的方法。
2. RAII和智能指针的设计思路
1. RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利⽤对象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、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源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，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。2. 智能指针类除了满⾜RAII的设计思路，还要⽅便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，⽅便访问资源。
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
// RAII
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
cout << "delete[] " << _ptr << endl;
delete[] _ptr;
}
// 重载运算符，模拟指针的⾏为，⽅便访问资源
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator[](size_t i)
{
return _ptr[i];
}
private:
T* _ptr;
};
double Divide(int a, int b)
{
// 当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
throw "Divide by zero condition!";
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
void Func()
{
// 这⾥使⽤RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序简单多了
SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
sp1[i] = sp2[i] = i;
}
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
}智能指针就是通过使用一个模拟指针的类来进行资源的申请，因为类中的资源在出作用域的时候会调用析构函数，申请的资源会释放。
由于智能指针模拟的是指针的行为，所以要支持 * 和 - > [ ] 这些运算符重载。
3. C++标准库智能指针的使⽤
1. C++标准库中的智能指针都在<memory>这个头⽂件下⾯，我们包含<memory>就可以是使⽤了，智能指针有好⼏种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的⾏为，原理上⽽⾔主要是解决智能指针拷⻉时的思路不同。2. 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，因为他会到被拷⻉对象悬空，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。3. unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点的不⽀持拷⻉，只⽀持移动。如果不需要拷⻉的场景就⾮常建议使⽤他。4. shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是⽀持拷⻉，也⽀持移动。如果需要拷⻉的场景就需要使⽤他了。底层是⽤引⽤计数的⽅式实现的。5. weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上⾯的智能指针，他不⽀持RAII，也就意味着不能⽤它直接管理资源，weak_ptr的产⽣本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引⽤导致内存泄漏的问题。具体细节下⾯我们再细讲。6. 智能指针析构时默认是进⾏delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针⽀持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调⽤对象，这个可调⽤对象中实现你想要的释放资源的⽅式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调⽤删除器去释放资源。因为new[]经常使⽤，所以为了简洁⼀点，unique_ptr和shared_ptr都特化了⼀份[]的版本，使⽤时 unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。7. template <class T, class... Args> shared_ptr<T> make_shared (Args&&... args);8. shared_ptr 除了⽀持⽤指向资源的指针构造，还⽀持 make_shared ⽤初始化资源对象的值直接构造。9. shared_ptr 和 unique_ptr 都⽀持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。10. shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使⽤explicit 修饰，防⽌普通指针隐式类型转换成智能指针对象。
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
~Date()
{
cout << "~Date()" << endl;
}
};
int main()
{
auto_ptr<Date> ap1(new Date);
// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
auto_ptr<Date> ap2(ap1);
// 空指针访问，ap1对象已经悬空
//ap1->_year++;
unique_ptr<Date> up1(new Date);
// 不⽀持拷⻉
//unique_ptr<Date> up2(up1);
// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
unique_ptr<Date> up3(move(up1));
shared_ptr<Date> sp1(new Date);
// ⽀持拷⻉
shared_ptr<Date> sp2(sp1);
shared_ptr<Date> sp3(sp2);
cout << sp1.use_count() << endl;
sp1->_year++;
cout << sp1->_year << endl;
cout << sp2->_year << endl;
cout << sp3->_year << endl;
// ⽀持移动，但是移动后sp1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
shared_ptr<Date> sp4(move(sp1));
return 0;
}auto_ptr 使用时可以进行拷贝，但拷贝是将权限直接转交给另一个指针，在拷贝之后它对资源就没有权限了。
unique_ptr 使用时不能进行拷贝，但能进行移动，同理，在移动后它也会失去对资源的权限。
shared_ptr 使用时可以进行拷贝也可以进行移动，拷贝之后它不会失去对资源的权限，而在移动后会失去对资源的权限。
下面我们再来看看智能指针删除时的用法：
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)
{
cout << "fclose:" << ptr << 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[]
unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
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
// 这⾥没有使⽤相同的⽅式还是挺坑的
// 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
unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);
shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
// 函数指针做删除器
unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
// lambda表达式做删除器
auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);
shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);
// 实现其他资源管理的删除器
shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
cout << "fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
});
return 0;
}new和delete在申请和释放资源时对于数组有不同的写法，对于代码中给出的shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);这样写是不行的，因为申请的是Date类型的数组，在释放时应该用delete[ ]来进行释放，但智能指针默认是delete删除，不能释放数组资源。
在这里给出了两种方法，一是智能指针模板提供了一个特化版本，专门用于数组的申请和释放；二是使用仿函数对象做删除器，我们可以提供一个删除方法，这样也能释放数组的资源。但对于unique_ptr和shared_ptr两种智能指针的写法不同。
对于unique_ptr 是把删除器写道模板参数列表里，二对于shared_ptr 是把删除器写道构造函数里，在构造的时候传入。
4. 智能指针的原理
1. 下⾯我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核⼼功能，这两个智能指针的实现⽐较简单，⼤家了解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷⻉时转移资源管理权给被拷⻉对象，这种思路是不被认可的，也不建议使⽤。unique_ptr的思路是不⽀持拷⻉。2. ⼤家重点要看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引⽤计数的设计，主要这⾥⼀份资源就需要⼀个引⽤计数，所以引⽤计数才⽤静态成员的⽅式是⽆法实现的，要使⽤堆上动态开辟的⽅式，构造智能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引⽤计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引⽤计数，shared_ptr对象析构时就--引⽤计数，引⽤计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀个管理资源的对象，则析构资源。
对于引用计数，这里不能使用int类型的变量作为引用计数，当进行拷贝时两个智能指针的引用计数都会+1，在析构的时候引用计数都-1也不能使引用计数为0，不能释放资源。
同理，引用计数也不能为静态成员变量，类的静态成员变量是属于类的所有对象的，当我们申请了多个资源时，引用计数就不对等了，所以也不行。
在这里，我们把引用计数也动态申请，在智能指针中存放它的地址，当进行拷贝时，引用计数+1，当析构时，引用计数-1，当引用计数为0时，再把资源释放。
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
// 管理权转移
sp._ptr = nullptr;
}
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
// 检测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 = NULL;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针⼀样使⽤
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
explicit unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针⼀样使⽤
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
unique_ptr(unique_ptr<T> && sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
sp._ptr = nullptr;
}
unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T> && sp)
{
delete _ptr;
_ptr = sp._ptr;
sp._ptr = nullptr;
}
private:
T* _ptr;
};
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
{}
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _del(del)
{}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _del(sp._del)
{
++(*_pcount);
}
void release()
{
if (--(*_pcount) == 0)
{
// 最后⼀个管理的对象，释放资源
_del(_ptr);
delete _pcount;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
++(*_pcount);
_del = sp._del;
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release();
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
int use_count() const
{
return *_pcount;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
//atomic<int>* _pcount;
function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
};
// 需要注意的是我们这⾥实现的shared_ptr和weak_ptr都是以最简洁的⽅式实现的，
// 只能满⾜基本的功能，这⾥的weak_ptr lock等功能是⽆法实现的，想要实现就要
// 把shared_ptr和weak_ptr⼀起改了，把引⽤计数拿出来放到⼀个单独类型，shared_ptr
// 和weak_ptr都要存储指向这个类的对象才能实现，有兴趣可以去翻翻源代码
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}
private:
T* _ptr = nullptr;
};
int main()
{
auto_ptr<Date> ap1(new Date);
// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
auto_ptr<Date> ap2(ap1);
// 空指针访问，ap1对象已经悬空
//ap1->_year++;
unique_ptr<Date> up1(new Date);
// 不⽀持拷⻉
//unique_ptr<Date> up2(up1);
// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
unique_ptr<Date> up3(move(up1));
shared_ptr<Date> sp1(new Date);
// ⽀持拷⻉
shared_ptr<Date> sp2(sp1);
shared_ptr<Date> sp3(sp2);
cout << sp1.use_count() << endl;
sp1->_year++;
cout << sp1->_year << endl;
cout << sp2->_year << endl;
cout << sp3->_year << endl;
return 0;
}5. shared_ptr和weak_ptr
5.1 shared_ptr循环引⽤问题
shared_ptr⼤多数情况下管理资源⾮常合适，⽀持RAII，也⽀持拷⻉。但是在循环引⽤的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引⽤的场景和资源没释放的原因，并且学会使⽤weak_ptr解决这种问题。
如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引⽤计数减到11. 右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。2. _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。3. 左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。4. _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。⾄此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引⽤，谁都不会释放就形成了循环引⽤，导致内存泄漏把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引⽤计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引⽤，解决了这⾥的问题
struct ListNode
{
int _data;
std::shared_ptr<ListNode> _next;
std::shared_ptr<ListNode> _prev;
// 这⾥改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
// 不增加n2的引⽤计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了
/*std::weak_ptr<ListNode> _next;
std::weak_ptr<ListNode> _prev;*/
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
// 循环引⽤ -- 内存泄露
std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
// weak_ptr不⽀持管理资源，不⽀持RAII
// weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引⽤计数，作为⼀些场景的辅助管理
//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);
return 0;
}5.2 weak_ptr
1. weak_ptr不⽀持RAII，也不⽀持访问资源，所以我们看⽂档发现weak_ptr构造时不⽀持绑定到资源，只⽀持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引⽤计数，那么就可以解决上述的循环引⽤问题。2. weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr⽀持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引⽤计数，weak_ptr想访问资源时，可以调⽤lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。
int main()
{
std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
std::weak_ptr<string> wp = sp1;
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
sp1 = make_shared<string>("222222");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
sp2 = make_shared<string>("333333");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
wp = sp1;
//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
auto sp3 = wp.lock();
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
*sp3 += "###";
cout << *sp1 << endl;
return 0;
}6. shared_ptr的线程安全问题
1. shared_ptr的引⽤计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进⾏shared_ptr的拷⻉析构时会访问修改引⽤计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引⽤计数是需要加锁或者原⼦操作保证线程安全的。2. shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该有外层使⽤shared_ptr的⼈进⾏线程安全的控制。3. 下⾯的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr引⽤计数从int*改成atomic<int>*就可以保证引⽤计数的线程安全问题，或者使⽤互斥锁加锁也可以。
struct AA
{
int _a1 = 0;
int _a2 = 0;
~AA()
{
cout << "~AA()" << endl;
}
};
int main()
{
bit::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
bit::shared_ptr<AA> copy(p);
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_a1++;
copy->_a2++;
}
}
};
thread t1(func);
thread t2(func);
t1.join();
t2.join();
cout << p->_a1 << endl;
cout << p->_a2 << endl;
cout << p.use_count() << endl;
return 0;
}