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c++11 新特性――智能指针使用详解

时间：2021-04-14 09:02:41 | 栏目：C代码 | 点击：次

c++11添加了新的智能指针，unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，同时也将auto_ptr置为废弃(deprecated)。

但是在实际的使用过程中，很多人都会有这样的问题：

  1. 不知道三种智能指针的具体使用场景
  2. 无脑只使用shared_ptr
  3. 认为应该禁用raw pointer(裸指针，即Widget*这种形式)，全部使用智能指针

初始化方法

class A
{
public:
  A(int size){ this->size = size; }
  A(){}
  void Show()
  {
    std::cout << "A::" << size << __FUNCTION__ << std::endl;
  }
private:
  int size = 5;
};
...
  //[1]
	auto p1 = std::make_shared<int>();
  auto p2 = std::make_shared<A>();
  //[2]
  std::shared_ptr<int> p3(new int(5));
  std::shared_ptr<A> p4(new A());
  //[3]
  std::shared_ptr<int> p5;
  p5.reset(new int(5));
  std::shared_ptr<A> p6;
  p6.reset(new A());

推荐使用第一种方法~

使用场景

忘记delete

class Box{
public:
  Box() : w(new Widget())
  {}
  ~Box()
  {
    // 忘记delete w
  }
private:
  Widget* w;
};

异常安全

void process()
{
  Widget* w = new Widget();
  w->do_something(); // 可能会发生异常
  delete w;
}

shared_ptr通常使用在共享权不明的场景。有可能多个对象同时管理同一个内存时。
对象的延迟销毁。陈硕在《Linux多线程服务器端编程》中提到，当一个对象的析构非常耗时，甚至影响到了关键线程的速度。可以使用BlockingQueue<std::shared_ptr<void>>将对象转移到另外一个线程中释放，从而解放关键线程。

weak_ptr是为了解决shared_ptr双向引用的问题。即：

class B;
struct A{
  shared_ptr<B> b;
};
struct B{
  shared_ptr<A> a;
};
auto pa = make_shared<A>();
auto pb = make_shared<B>();
pa->b = pb;
pb->a = pa;

pa和pb存在着循环引用，根据shared_ptr引用计数的原理，pa和pb都无法被正常的释放。

对于这种情况, 我们可以使用weak_ptr：

class B;
struct A{
  shared_ptr<B> b;
};
struct B{
  weak_ptr<A> a;
};
auto pa = make_shared<A>();
auto pb = make_shared<B>();
pa->b = pb;
pb->a = pa;

weak_ptr不会增加引用计数，因此可以打破shared_ptr的循环引用。

通常做法是parent类持有child的shared_ptr, child持有指向parent的weak_ptr。这样也更符合语义。

性能

1.unique_ptr

因为C++的zero cost abstraction的特点，unique_ptr在默认情况下和裸指针的大小是一样的。

所以内存上没有任何的额外消耗，性能是最优的。

2.shared_ptr

  1. 存占用高 shared_ptr的内存占用是裸指针的两倍。因为除了要管理一个裸指针外，还要维护一个引用计数。 因此相比于unique_ptr, shared_ptr的内存占用更高
  2. 原子操作性能低 考虑到线程安全问题，引用计数的增减必须是原子操作。而原子操作一般情况下都比非原子操作慢。
  3. 使用移动优化性能 shared_ptr在性能上固然是低于unique_ptr。而通常情况，我们也可以尽量避免shared_ptr复制。 如果，一个shared_ptr需要将所有权共享给另外一个新的shared_ptr，而我们确定在之后的代码中都不再使用这个shared_ptr，那么这是一个非常鲜明的移动语义。 对于此种场景，我们尽量使用std::move，将shared_ptr转移给新的对象。因为移动不用增加引用计数，因此性能比复制更好。

对象所有权

首先需要理清楚的概念就是对象所有权的概念。所有权在rust语言中非常严格，写rust的时候必须要清楚自己创建的每个对象的所有权。

但是C++比较自由，似乎我们不需要明白对象的所有权，写的代码也能正常运行。但是明白了对象所有权，我们才可以正确管理好对象生命周期和内存问题。

C++引入了智能指针，也是为了更好的描述对象所有权，简化内存管理，从而大大减少我们C++内存管理方面的犯错机会。

我们大多数场景下用到的应该都是unique_ptr。

unique_ptr代表的是专属所有权，即由unique_ptr管理的内存，只能被一个对象持有。

所以，unique_ptr不支持复制和赋值，如下：

auto w = std::make_unique<Widget>();
auto w2 = w; // 编译错误

如果想要把w复制给w2, 是不可以的。因为复制从语义上来说，两个对象将共享同一块内存。

因此，unique_ptr只支持移动, 即如下：

auto w = std::make_unique<Widget>();
auto w2 = std::move(w); // w2获得内存所有权，w此时等于nullptr

unique_ptr代表的是专属所有权，如果想要把一个unique_ptr的内存交给另外一个unique_ptr对象管理。只能使用std::move转移当前对象的所有权。转移之后，当前对象不再持有此内存，新的对象将获得专属所有权。

如上代码中，将w对象的所有权转移给w2后，w此时等于nullptr，而w2获得了专属所有权。

在使用shared_ptr之前应该考虑，是否真的需要使用shared_ptr, 而非unique_ptr。

shared_ptr代表的是共享所有权，即多个shared_ptr可以共享同一块内存。

因此，从语义上来看，shared_ptr是支持复制的。如下：

auto w = std::make_shared<Widget>();
{
  auto w2 = w;
  cout << w.use_count() << endl; // 2
} 
cout << w.use_count() << endl; // 1

shared_ptr内部是利用引用计数来实现内存的自动管理，每当复制一个shared_ptr，引用计数会+1。当一个shared_ptr离开作用域时，引用计数会-1。当引用计数为0的时候，则delete内存。

同时，shared_ptr也支持移动。从语义上来看，移动指的是所有权的传递。如下：

auto w = std::make_shared<Widget>();
auto w2 = std::move(w); // 此时w等于nullptr，w2.use_count()等于1

我们将w对象move给w2，意味着w放弃了对内存的所有权和管理，此时w对象等于nullptr。

而w2获得了对象所有权，但因为此时w已不再持有对象，因此w2的引用计数为1。

指针作为函数传参

只在函数使用指针，但并不保存

假如我们只需要在函数中，用这个对象处理一些事情，但不打算涉及其生命周期的管理，不打算通过函数传参延长shared_ptr的生命周期。

对于这种情况，可以使用raw pointer或者const shared_ptr&。

即:

void func(Widget*);
void func(const shared_ptr<Widget>&)

​ 实际上第一种裸指针的方式可能更好，从语义上更加清楚，函数也不用关心智能指针的类型。

在函数中保存智能指针

假如我们需要在函数中把这个智能指针保存起来，这个时候建议直接传值。void func(std::shared_ptr ptr);这样的话，外部传过来值的时候，可以选择move或者赋值。函数内部直接把这个对象通过move的方式保存起来。 这样性能更好，而且外部调用也有多种选择。

为什么要用shared_from_this

我们往往会需要在类内部使用自身的shared_ptr，例如：

class A
{
public:
private:
  std::shared_ptr<widget> widget;
}

class Widget
{
public:
  void do_something(A& a)
  {
    a.widget = std::make_shared<Widget>(this);
  }
}

我们需要把当前shared_ptr对象同时交由对象a进行管理。意味着，当前对象的生命周期的结束不能早于对象a。因为对象a在析构之前还是有可能会使用到a.widget。

如果我们直接a.widget = this;， 那肯定不行， 因为这样并没有增加当前shared_ptr的引用计数。shared_ptr还是有可能早于对象a释放。

如果我们使用a.widget = std::make_shared<Widget>(this);，肯定也不行，因为这个新创建的shared_ptr，跟当前对象的shared_ptr毫无关系。当前对象的shared_ptr生命周期结束后，依然会释放掉当前内存，那么之后a.widget依然是不合法的。

对于这种，需要在对象内部获取该对象自身的shared_ptr, 那么该类必须继承std::enable_shared_from_this<T>。代码如下:

class Widget : public std::enable_shared_from_this<Widget>
{
public:
  void do_something(A& a)
  {
    a.widget = shared_from_this();
  }  
}

这样才是合法的做法。

总结

1.重点理解三种智能指针的使用场景，

2.优点：

不用手动管理内存，尤其是根本不知道释放时机的时候

3.缺点：

shared_ptr的内存占用高（多了一个引用计数），对多线程不友好（对引用计数的操作要原子性）

写起来麻烦

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