C++智能指针的原理与应用
目录
1>智能指针的使用场景分析
2>RAII和智能指针的设计思路
3>C++标准库智能指针的使用
4>智能指针的原理
b.weak_ptr
7>C++11和boost中智能指针的关系
8>内存泄露
a.什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
b.如何检测内存泄漏
c.如何避免内存泄漏
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，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;}2>RAII和智能指针的设计思路
• RAII是
Resource Acquisition Is Initialization的 缩写，它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• 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像迭代器类一样，重载
operator*/operator->/operator[]等运算符，方便访问资源
template<class T>class SmartPtr{public :// RAIISmartPtr(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;}3>C++标准库智能指针的使用
• 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>就可以使⽤了，智能指针有好⼏种，除了
weak_ptr它们都符合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
auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，它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。其它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是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译出来是唯⼀指针，它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它
shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译出来是共享指针，它的特点是⽀持拷⻉，也⽀持移动。如果需要拷⻉的场景就需要使⽤它了。底层是用引用计数的方式实现的
weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，它的名字翻译出来是弱指针，它完全不同于上⾯的智能指针，它不⽀持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• 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(newDate[5]); shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);就可以管理new[]的资源•
template <class T, class... Args> shared_ptr<T> make_shared(Args&&... args);•
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•
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•
shared_ptr和unique_ptr的构造函数都使⽤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);// 拷贝时，管理权限转移，被拷贝对象ap1悬空auto_ptr<Date> ap2(ap1);// 空指针访问，ap1对象已经悬空//ap1->_year++; // 报错unique_ptr<Date> up1(new Date);// 不支持拷贝//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);// ⽀持拷贝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;}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);// 实现其它资源管理的删除器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;} int main(){shared_ptr<Date> sp1(new Date(2024, 9, 11));shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);auto sp3 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);shared_ptr<Date> sp4;// if (sp1.operator bool())if (sp1)cout << "sp1 is not nullptr" << endl;if (!sp4)cout << "sp1 is nullptr" << endl;// 报错// shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);// unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11);return 0;}4>智能指针的原理
• 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• 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
#pragma oncenamespace tianci{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;funtion<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(){tianci::auto_ptr<Date> ap1(new Date);// 拷贝时，管理权限转移，被拷贝对象ap1悬空tianci::auto_ptr<Date> ap2(ap1);// 空指针访问，ap1对象已经悬空//ap1->_year++;tianci::unique_ptr<Date> up1(new Date);// 不支持拷贝//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tianci::unique_ptr<Date> up3(move(up1));tianci::shared_ptr<Date> sp1(new Date);// 支持拷贝tianci::shared_ptr<Date> sp2(sp1);tianci::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
a.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1
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
_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
_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是专门绑定shared_ptr，不增加它的引用计数，作为一些场景的辅助管理//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);return 0;}b.weak_ptr
•
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•
weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为它不参与资源管理，那么如果它绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么它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都指向了其它资源，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
•
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•
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• 下⾯的程序会崩溃或者A资源没释放，
tianci::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()
{tianci::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tianci::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;
}7>C++11和boost中智能指针的关系
•
Boost库是为C++语⾔标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建⽴的初衷之⼀就是为C++的标准化⼯作提供可供参考的实现，Boost社区的发起⼈Dawes本⼈就是C++标准委员会的成员之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个⽅向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的• C++ 98 中产⽣了第⼀个智能指针
auto_ptr• C++
boost给出了更实⽤的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等• C++ TR1，引⼊了
shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版• 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
8>内存泄露
a.什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
• 什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使⽤的内存，⼀般是忘记释放或者发⽣异常释放程序未能执⾏导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，⽽是应⽤程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因⽽造成了内存的浪费
• 内存泄漏的危害：普通程序运⾏⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不⼤，进程正常结束，⻚表的映射关系解除，物理内存也可以释放。⻓期运⾏的程序出现内存泄漏，影响很⼤，如操作系统、后台服务、⻓时间运⾏的客⼾端等等，不断出现内存泄漏会导致可⽤内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死
int main()
{// 申请⼀个1G未释放，这个程序多次运行也没啥危害// 因为程序马上就结束，进程结束各种资源也就回收了char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];cout << (void*)ptr << endl;return 0;
}b.如何检测内存泄漏
• linux下内存泄漏检测：Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具_c++内存泄露工具分析-CSDN博客
• windows下使⽤第三⽅⼯具：windows下的内存泄露检测工具VLD使用_windows内存泄漏检测工具-CSDN博客
c.如何避免内存泄漏
• ⼯程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下⼀条智能指针来管理才有保证
• 尽量使⽤智能指针来管理资源，如果⾃⼰场景⽐较特殊，采⽤RAII思想⾃⼰造个轮⼦管理
• 定期使⽤内存泄漏⼯具检测，尤其是每次项⽬快上线前，不过有些⼯具不够靠谱，或者是收费
• 总结⼀下：内存泄漏⾮常常⻅，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
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