智能指针详解

Andromeda

发布于 2023-10-21 11:33:13

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发布于 2023-10-21 11:33:13

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为什么引入智能指针？

内存泄漏问题

C++在堆上申请内存后，需要手动对内存进行释放。随着代码日趋复杂和协作者的增多，很难保证内存都被正确释放，因此很容易导致内存泄漏。

在上述代码中，FunctionWithMemoryLeak()函数动态分配了一个整型对象的内存，并在结束时没有释放该内存。这就导致了内存泄漏，因为没有机制来释放这块分配的内存。

void FunctionWithMemoryLeak() {
    int* ptr = new int(5);  // 在堆上动态分配内存
    // 没有释放内存，造成内存泄漏
}

int main() {
    FunctionWithMemoryLeak();
    // ...
    return 0;
}

多线程下的对象析构问题

在多线程环境下，对象的析构问题需要特别注意，因为多个线程可能同时访问和操作同一个对象。如果多个线程同时尝试析构同一个对象，可能会导致对象被多次删除。因此稍有不慎就会导致程序崩溃。

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

class Resource {
public:
    Resource() {
        cout << "Resource acquired." << endl;
    }
    ~Resource() {
        cout << "Resource released." << endl;
    }
};

void ThreadFunc(Resource* resource) {
    // 模拟对资源的使用
    this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    cout << "Thread: Using resource." << endl;
    // 在多线程环境下，资源的析构可能由其他线程执行
    delete resource;
}

int main() {
    Resource* sharedResource = new Resource();
    thread t(ThreadFunc, sharedResource);
    // 在主线程中，早期销毁了资源
    delete sharedResource;
    t.join();
    cout << "Main: Finished." << endl;
    return 0;
}

在上述代码中，我们创建了一个共享资源Resource的实例，并在主线程和另一个线程中对其进行操作。主线程在启动另一个线程后早期销毁了资源，而另一个线程仍在使用已经销毁的资源。这会导致未定义行为，访问无效的内存，可能导致崩溃或数据损坏。

而智能指针设计的初衷就是可以帮助我们管理堆上申请的内存，即开发者只需要申请，释放内存的任务交给智能指针。用于确保程序不存在内存和资源泄漏且是异常安全的。

智能指针的使用

下面是一个原始指针和智能指针比较的示例代码

// 原始指针
void rawptr(){
    // 使用原始指针
    Obj *rawptr = new Obj("raw pointer");
    // dosomething
    rawptr->doSomething();
    // 释放内存
    delete rawptr;
}

// 智能指针
void smtptr(){
    // 使用智能指针
    unique_ptr<Obj> smtptr(new Obj("smart pointer"));
    // dosomething
    smtptr->doSomething();
    // 自动释放资源
}

智能指针通过封装指向堆分配对象的原始指针，并提供自动的内存管理和资源释放机制，帮助避免内存泄漏和资源管理错误。

智能指针的特点包括：

拥有权管理：智能指针拥有其所指向的对象，负责在适当的时机释放内存。这意味着当智能指针超出作用域或不再需要时，它会自动调用析构函数来释放内存。
析构函数处理：智能指针的析构函数中通常包含了对所拥有对象的内存释放操作，确保在智能指针被销毁时，关联的资源也会被释放。这种自动化的资源管理有助于避免内存泄漏和资源泄漏。
异常安全性：智能指针在异常情况下能够保证资源的正确释放。即使发生异常，智能指针也会在其作用域结束时被销毁，并调用析构函数来释放资源。

智能指针封装了指向堆分配对象的原始指针，因此智能指针通常提供直接访问其原始指针的方法。 C++ 标准库智能指针拥有一个用于此目的的get成员函数。

// 智能指针
void smtptr(){
    // 使用智能指针
    unique_ptr<Obj> smtptr(new Obj("smart pointer"));
    // dosomething
    smtptr->doSomething();
    // 获取智能指针的原始指针
    Obj *obj = pLarge.get()
    // 自动释放资源
}

智能指针的类型

目前C++11主要支持的智能指针为以下几种：

unique_ptr
shared_ptr
weak_ptr

unique_ptr

std::unique_ptr是 C++ 标准库提供的智能指针之一，用于管理动态分配的对象。它提供了独占所有权的语义，即同一时间只能有一个std::unique_ptr拥有对对象的所有权。当std::unique_ptr被销毁或重置时，它会自动释放所拥有的对象，并回收相关的内存。

std::unique_ptr支持所有权的转移，可以通过move将一个std::unique_ptr实例的所有权转移到另一个实例。这种所有权转移可以通过移动构造函数和移动赋值运算符来实现。

// 创建一个 std::unique_ptr
unique_ptr<Resource> uResource1 = make_unique<Resource>();
// 使用移动构造函数将所有权转移到另一个 std::unique_ptr
unique_ptr<Resource> uResource2 = move(uResource1);

可以通过下图来描述

其基本用法

unique_ptr<Obj> a1(new Obj());
// 获取原始指针
Obj *raw_a = a1.get();

/*
std::unique_ptr 类型提供了一个名为 operator bool() 的成员函数，
用于将 std::unique_ptr 对象转换为布尔值。
该函数用于检查 std::unique_ptr 是否持有有效的指针
*/
if(a1)
{
    // a1 拥有指针
}
// release释放所管理指针的所有权，返回原生指针。下面两条语句等价
unique_ptr<Obj> a2(a1.release());
a2 = move(a1);
// reset释放并销毁原生指针。如果参数为一个新指针，将管理这个新指针
a2.reset(new Obj());
// 没有参数，以下两条语句等价
a2.reset();
//释放并销毁原有对象
a2 = nullptr;

参考官方文档：如何：创建和使用 unique_ptr 实例

shared_ptr

std::shared_ptr用于管理动态分配的对象。与std::unique_ptr不同，std::shared_ptr允许多个智能指针共享对同一个对象的所有权，通过引用计数来跟踪资源的使用情况。当最后一个std::shared_ptr对象销毁时，资源会被释放。也就是说多个std::shared_ptr可以拥有同一个原生指针的所有权。

在初始化一个shared_ptr之后，可以复制它，将其分配给其他shared_ptr实例。所有实例均指向同一个对象，并共享资源与一个控制块。每当新的shared_ptr添加、超出范围或重置时增加和减少引用计数，当引用计数达到零时，控制块将删除内存资源和自身。

可以通过下图来描述

// 第一次创建内存资源时，请使用make_shared
auto sptr = make_shared<Obj>()
shared_ptr<Obj> a1(new Obj());
// 与unique_ptr不同，允许共享
shared_ptr<Obj> a2 = a1;
// 获得原生指针
Obj *raw_a = a1.get();
/*
std::unique_ptr 类型提供了一个名为 operator bool() 的成员函数，
用于将 std::unique_ptr 对象转换为布尔值。
该函数用于检查 std::unique_ptr 是否持有有效的指针
*/
if(a1)
{
    // a1 拥有指针
}
// 如果引用计数为 1，则返回true，否则返回false
if(a1.unique())
{
    // 如果返回true，引用计数为1
}
// use_count() 返回引用计数的大小
int cnt = a1.use_count();

参考官方文档：如何：创建和使用 shared_ptr 实例

weak_ptr

循环引用的情况是指两个或多个std::shared_ptr对象相互持有对方的所有权，形成死锁，导致引用计数无法降为零，从而std::shared_ptr无法被释放造成内存泄漏。

std::weak_ptr用于解决std::shared_ptr可能引发的循环引用和内存泄漏问题。std::weak_ptr允许跟踪一个由std::shared_ptr管理的对象，而不会增加引用计数。它本身是一个弱指针，所以它本身是不能直接调用原生指针的方法的。如果想要使用原生指针的方法，需要将其先转换为一个std::shared_ptr。

weak_ptr可以通过一个shared_ptr创建。

shared_ptr<Obj> a1(new Obj());
weak_ptr<Obj> weak_a1 = a1; //不增加引用计数，避免循环引用
// expired()判断所指向的原生指针是否被释放，如果被释放了返回true，否则返回false
if(weak_a1.expired())
{
    //如果为true，weak_a1对应的原生指针已经被释放了
}
// 返回原生指针的引用计数
int cnt = weak_a1.use_count();
/* 
lock()返回shared_ptr，如果原生指针没有被释放，
则返回一个非空的shared_ptr，否则返回一个空的shared_ptr
*/
if(shared_ptr<Obj> shared_a = weak_a1.lock())
{
    //此时可以通过shared_a进行原生指针的方法调用
}
//将weak_a1置空
weak_a1.reset();

参考官方文档：如何：创建和使用 weak_ptr 实例