C++Smart Pointer 智能指针详解

时间：2022-08-08 08:21:45|栏目：C代码|点击：次

一、为啥使用智能指针呢

标准库中的智能指针：
std::auto_ptr    --single ownership  (C++98中出现,缺陷较多,被摒弃)
std::unique_ptr  --single ownership  (C++11替代std::auto_ptr,用于单线程)
std::shared_ptr  --shared ownership  (C++11,用于多线程)
std::weak_ptr    --temp/no ownership (C++11)
Introduced in C++ 11
Defined in <memory> header.

首先看一个下面的栗子，左边是木有使用智能指针的情况，当执行foo()函数，其中的e指针会在bar(e)时传入bar函数，但是在bar函数结束后没有人为delete e时，就会导致内存泄漏；但是在右边的栗子中，使用了unique_ptr智能指针（single ownership），就能防止内存泄漏。

在这里插入图片描述

智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象。当栈对象的生存周期结束后，会在析构函数中释放掉申请的内存，从而防止内存泄漏。

auto_ptr智能指针：（C++11出来前只有这种智能指针）当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了。
unique_ptr智能指针：防止智能指针拷贝和复制。
shared_ptr智能指针：通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。
weak_ptr智能指针：可以从一个shared_ptr或另一个weak_ptr对象构造，它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。

注意：每一种智能指针都可以增加内存的引用计数。

智能指针分为两类：
- 一种是可以使用多个智能指针管理同一块内存区域，每增加一个智能指针，就会增加1次引用计数，
- 另一类是不能使用多个智能指针管理同一块内存区域，通俗来说，当智能指针2来管理这一块内存时，原先管理这一块内存的智能指针1只能释放对这一块指针的所有权（ownership）。
按照这个分类标准，auto_ptr unique_ptr weak_ptr属于后者，shared_ptr属于前者。

对shared_ptr进行初始化时不能将一个普通指针直接赋值给智能指针，因为一个是指针，一个是类。可以通过make_shared函数或者通过构造函数传入普通指针。并可以通过get函数获得普通指针。

#include <string>
#include <memory>
using namespace std;
class report
{
private:
    string str;
public:
    report(const string s):str(s) //构造方法
    {
        cout<<"1 report Object  has been build!"<<endl;
    }
    ~report()
    {
        cout<<"3 report Object  deleted!"<<endl;
    }
    void talk()
    {
        cout<<str<<endl;
    }
};
int main()
{
    string talk="2 hello,this is a test!";
    {
        auto_ptr<report> ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    {
        shared_ptr<report> ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    {
        unique_ptr<report> ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

二、shared_ptr智能指针

shared_ptr实现了共享拥有的概念，利用“引用计数”来控制堆上对象的生命周期。

share_ptr的生命周期：

在这里插入图片描述

原理：在初始化的时候引用计数设为1，每当被拷贝或者赋值的时候引用计数+1，析构的时候引用计数-1，直到引用计数被减到0，那么就可以delete掉对象的指针了。他的构造方式主要有以下三种：

shared_ptr<Object> ptr;
shared_ptr<Object> ptr(new Object);
shared_ptr<Object> ptr(new Object, [=](Object *){ //回收资源时调用的函数 });
auto ptr = make_shared<Object>(args);

第一种空构造，没有指定shared_ptr管理的堆上对象的指针，所以引用计数为0，后期可以通过reset()成员函数来指定其管理的堆上对象的指针，reset()之后引用计数设为1。
第二种是比较常见的构造方式，构造函数里面可以放堆上对象的指针，也可以放其他的智能指针（如weak_ptr）。
第三种构造方式指定了shared_ptr在析构自己所保存的堆上对象的指针时（即引用计数为0时）所要调用的函数，这说明我们可以自定义特定对象的特定析构方式。同样的，reset()成员函数也可以指定析构时调用的指定函数。
第四种方法：较常见，构造shared_ptr的方式（最安全）：

auto ptr = make_shared<Object>(args);

上面第四种方法，使用标准库里边的make_shared<>()模板函数。该函数会调用模板类的构造方法，实例化一个堆上对象，然后将保存了该对象指针的shared_ptr返回。参数是该类构造函数的参数，所以使用make_shared<>()就好像单纯地在构造该类对象一样。auto是C++11的一个关键字，可以在编译期间自动推算变量的类型，在这里就是shared_ptr<Object>类型。

在这里插入图片描述

shared_ptr的其他成员函数：

use_count()	//返回引用计数的个数
unique()	//返回是否是独占所有权(use_count是否为1)
swap()		//交换两个shared_ptr对象(即交换所拥有的对象，引用计数也随之交换)
reset()		//放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少

三、unique_ptr智能指针

注意unique_ptr是single ownership的，不能拷贝。其构造方式如下：

在这里插入图片描述

unique_ptr的生命周期：

在这里插入图片描述

四、weak_ptr智能指针

在这里插入图片描述

五、智能指针怎么解决交叉引用，造成的内存泄漏

结论：创建对象时使用shared_ptr强智能指针指向，其余情况都使用weak_ptr弱智能指针指向。

5.1 交叉引用的栗子：

当A类中有一个指向B类的shared_ptr强类型智能指针，B类中也有一个指向A类的shared_ptr强类型智能指针。

main函数执行后有两个强智能指针指向了对象A，对象A的引用计数为2，B类也是：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;
class A{
public:
    shared_ptr<B> _bptr;
};
class B{
public:
    shared_ptr<A> _aptr;
};
int main(){
    shared_ptr<A> aptr(new A());
    shared_ptr<B> bptr(new B());
    aptr->_bptr = bptr;
    bptr->_aptr = aptr;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

而当主函数main的return返回后，对象A的引用计数减一变为1（aptr没指向A对象了），B对象也是，引用计数不为0，即不能析构2个对象释放内存，造成内存泄漏。

5.2 解决方案

将类A和类B中的shared_ptr强智能指针都换成weak_ptr弱智能指针；

class A{
public:
    weak_ptr<B> _bptr;
};
class B{
public:
    weak_ptr<A> _aptr;
};

weak_ptr弱智能指针，虽然有引用计数，但实际上它并不增加计数，而是只观察对象的引用计数。所以此时对象A的引用计数只为1，对象B的引用计数也只为1。

在这里插入图片描述

六、智能指针的注意事项

避免同一块内存绑定到多个独立创建的shared_ptr上，因此要不使用相同的内置指针初始化（或reset）多个智能指针，不要混合使用智能指针和普通指针，坚持只用智能指针。
不delete get() 函数返回的指针，因为这样操作后，shared_ptr并不知道它管理的内存被释放了，会造成shared_ptr重复析构。
不使用 get()函数初始化或（reset）另外的智能指针。

shared_ptr<int> p = make_share<int> (42);
int *q = p.get();
{
  shared_ptr<int>(q); 
} // 程序块结束，q被销毁，指向的内存被释放。
int foo = *p; //  出错，p指向的内存已经被q释放，这是用get() 初始化另外的智能指针惹得祸。
// 请记住，永远不要用get初始化另外一个智能指针。

能使用unique_ptr时就不要使用share_ptr指针（后者需要保证线程安全，所以在赋值or销毁时overhead开销更高）。