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C++智能指针全面解析:原理、使用场景与最佳实践

目录

一、 智能指针的诞生背景

二、RAII设计理念

三、C++标准库智能指针详解

3.1 auto_ptr(已废弃)

3.2 unique_ptr

3.3 shared_ptr

3.4 weak_ptr

四、智能指针的原理

五. shared_ptr和weak_ptr

5.1 shared_ptr循环引用问题

5.2 weak_ptr解决方案

六、 智能指针的线程安全性

6.1 引用计数的线程安全

6.2 对象访问的线程安全

七、 C++11和boost中智能指针的关系

八、 内存泄漏检测与预防

8.1 什么是内存泄漏,内存泄漏的危害

8.2工具推荐

8.3 预防策略

九、 总结


一、 智能指针的诞生背景

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) {if (b == 0) {throw "Divide by zero condition!";}return static_cast<double>(a) / b;
}void Func() {int* array1 = new int[10];int* array2 = new int[10];try {int len, time;std::cin >> len >> time;std::cout << Divide(len, time) << std::endl;} catch (...) {// 异常发生时,array1和array2可能无法被释放delete[] array1;delete[] array2;throw;}delete[] array1;delete[] array2;
}

​问题分析:

  • 如果第二个new操作抛出异常,array1将无法被释放

  • 如果Divide函数抛出异常,需要在每个catch块中手动释放所有资源

  • 代码冗余且容易遗漏释放操作

二、RAII设计理念

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。

RAII(Resource Acquisition Is Initialization)是C++资源管理的核心思想:

template<class T>
class SmartPtr {
public:// RAII:构造函数获取资源SmartPtr(T* ptr) : _ptr(ptr) {}// RAII:析构函数释放资源~SmartPtr() {std::cout << "delete[] " << _ptr << std::endl;delete[] _ptr;}// 重载运算符,模拟指针行为T& operator*() { return *_ptr; }T* operator->() { return _ptr; }T& operator[](size_t i) { return _ptr[i]; }private:T* _ptr;
};

RAII的优势

  • 资源生命周期与对象生命周期绑定

  • 异常安全:栈展开时自动调用析构函数

  • 代码简洁:无需手动管理资源释放

三、C++标准库智能指针详解

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贝时的思路不同。

3.1 auto_ptr(已废弃)

auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针,它的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给拷贝对象,这是一个非常糟糕的设计,因为它会导致被拷贝对象悬空,出现访问报错的问题。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。

// C++98引入,存在设计缺陷
std::auto_ptr<Date> ap1(new Date);
std::auto_ptr<Date> ap2(ap1); // 管理权转移,ap1变为空指针

问题:拷贝语义不明确,容易导致悬空指针。

3.2 unique_ptr

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,它的特点是不支持拷贝,只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用它。

// 独占所有权,不支持拷贝,支持移动
std::unique_ptr<Date> up1(new Date);
// std::unique_ptr<Date> up2(up1); // 编译错误
std::unique_ptr<Date> up3(std::move(up1)); // 支持移动语义

特性

  • 零开销抽象

  • 支持自定义删除器

  • 数组特化版本:unique_ptr<T[]>

3.3 shared_ptr

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,它的特点是支持拷贝, 也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用它了。底层是用引用计数的方式实现的。

// 共享所有权,引用计数
std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
std::shared_ptr<Date> sp2(sp1); // 引用计数+1
std::cout << sp1.use_count() << std::endl; // 输出:2

实现原理

template<class T>
class shared_ptr {
public:shared_ptr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr), _pcount(new int(1)) {}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp): _ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount) {++(*_pcount);}~shared_ptr() {if (--(*_pcount) == 0) {delete _ptr;delete _pcount;}}private:T* _ptr;int* _pcount; // 引用计数
};

3.4 weak_ptr

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。

// 不增加引用计数,解决循环引用问题
std::shared_ptr<Date> sp(new Date);
std::weak_ptr<Date> wp = sp;if (auto shared = wp.lock()) { // 尝试获取shared_ptr// 安全使用资源
}

智能指针性能对比

智能指针类型拷贝开销线程安全适用场景
unique_ptr零开销独占所有权,性能敏感
shared_ptr引用计数原子操作引用计数安全共享所有权
weak_ptr低开销打破循环引用

四、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的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象,这种思路是不被认可的,也不建议使用。unique_ptr的思路是不支持拷贝。

  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。

// 函数指针作为删除器
template<class T>
void DeleteArray(T* ptr) {delete[] ptr;
}// 仿函数作为删除器
template<class T>
struct DeleteArray {void operator()(T* ptr) {delete[] ptr;}
};// Lambda表达式作为删除器
auto del = [](Date* ptr) { delete[] ptr; };// 使用示例
std::unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up1(new Date[5]);
std::shared_ptr<Date> sp1(new Date[5], DeleteArray<Date>());
std::unique_ptr<Date, decltype(del)> up2(new Date[5], del);

五. 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,也支持拷贝。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

  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。

  2. _next什么时候析构呢,_next是左边节点的成员,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。

5.2 weak_ptr解决方案

  • 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。

struct ListNode {int data;std::shared_ptr<ListNode> next;std::weak_ptr<ListNode> prev; // 使用weak_ptr打破循环~ListNode() {std::cout << "~ListNode()" << std::endl;}
};

循环引用原理图示

六、 智能指针的线程安全性

6.1 引用计数的线程安全

  • shared_ptr的拷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,`std::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。

// shared_ptr引用计数是线程安全的
std::shared_ptr<AA> p(new AA);auto func = [&]() {for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i) {std::shared_ptr<AA> copy(p); // 引用计数操作线程安全// 但对象访问需要额外同步}
};std::thread t1(func);
std::thread t2(func);
t1.join();
t2.join();

6.2 对象访问的线程安全

在多线程编程环境中,保证对象访问的线程安全是至关重要的。当多个线程同时访问和修改共享对象时,如果没有适当的同步机制,可能会导致数据不一致、竞态条件等问题。以下是保证对象访问线程安全的关键要点:

  1. 同步机制

    • 使用synchronized关键字:可以通过同步方法或同步代码块来实现

      • 实例方法同步:对整个方法加锁,锁对象是当前实例

      • 静态方法同步:锁对象是类的Class对象

      • 同步代码块:可以指定特定的锁对象

    • 使用Lock接口及其实现类(如ReentrantLock)

      • 提供更灵活的锁操作

      • 支持公平锁和非公平锁

      • 支持tryLock()等高级功能

  2. 线程安全的数据结构

    • Java集合框架中的线程安全版本:

      • ConcurrentHashMap

      • CopyOnWriteArrayList

      • ConcurrentLinkedQueue

    • 原子类:

      • AtomicInteger

      • AtomicLong

      • AtomicReference

  3. 不可变对象

    • 通过final关键字修饰类和字段

    • 不提供修改内部状态的方法

    • 典型示例:String类

  4. 线程封闭

    • 栈封闭:将对象限制在方法内部使用

    • ThreadLocal:为每个线程创建独立的变量副本

  5. 最佳实践

    • 尽量减少同步范围

    • 避免锁嵌套

    • 注意死锁问题

    • 考虑使用无锁算法

示例场景:

struct AA {int a1 = 0;int a2 = 0;std::mutex mtx;
};void thread_safe_access() {std::shared_ptr<AA> p(new AA);auto func = [&]() {for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i) {auto copy = p; // 安全的引用计数操作std::lock_guard<std::mutex> lock(copy->mtx);copy->a1++;copy->a2++;}};
}

七、 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、shared_ptr/shared_array和weak_ptr等。

  • C++ TR1引入了shared_ptr等,不过要注意的是TR1并不是标准版。 

  • C++ 11引入了unique_ptr、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。

八、 内存泄漏检测与预防

8.1 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,页表的映射关系解除,物理内存也可以释放。长期的程序出现内存泄漏,影响很大,如操作系统、后台服务、长时间运行的户端等等,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。

8.2工具推荐

  • Windows: Visual Leak Detector (VLD)

  • Linux: Valgrind, AddressSanitizer

  • 跨平台: Clang Static Analyzer

8.3 预防策略

  1. 事前预防:全面使用智能指针

  2. 编码规范:遵循RAII原则

  3. 代码审查:定期检查资源管理

  4. 自动化测试:使用检测工具集成到CI/CD

九、 总结

C++智能指针是现代C++编程中不可或缺的工具,它们:

  • 自动化资源管理:避免手动new/delete带来的错误

  • 提供异常安全:确保资源在异常情况下正确释放

  • 支持多种所有权语义:满足不同场景需求

  • 具备良好的性能:多数情况下接近手动管理的效率

通过合理运用unique_ptr、shared_ptr和weak_pt,开发者可以构建出既安全又高效的C++应用程序,从根本上解决内存泄漏和资源管理问题。

参考资料

  • C++ Standard Library Documentation

  • Scott Meyers, "Effective Modern C++"

  • Bjarne Stroustrup, "The C++ Programming Language"

  • ISO/IEC 14882:2020 (C++20 Standard)

http://www.dtcms.com/a/503477.html

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