[C++]---智能指针介绍简单模拟实现
目录
RAII
模拟实现SmartPtr
模拟实现SmartPtr:
智能指针的原理：
常见的三种智能指针
auto_ptr
模拟测试 C++98版本的库提供的auto_ptr
auto_pt模拟实现
unique_ptr
使用库里面的unique_ptr
模拟实现unique_ptr
仿函数定制删除器
守卫锁
RAII
RAII（Resource Acquisition Is Initialization）根据对象的生命周期控制，初始化构造对象时管理资源，销毁对象在对象析构时释放资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。这么做的好处：
- 不需要显式地释放资源。
- 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
void MergeSort(int* a, int n)
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
// 讲tmp指针委托给了sp对象，用时老师的话说给tmp指针找了一个可怕的女朋友！天天管着你，直到你go die
SmartPtr sp(tmp);
// _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
// 这里假设处理了一些其他逻辑
vector v(1000000000, 10);
// ...
}
int main()
{
try {
int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
MergeSort(a, 5);
}
catch(const exception& e)
{
cout< 注意：并没有实现智能指针，只是实现了一个可以管理资源的类。
模拟实现SmartPtr
模拟实现SmartPtr:
智能指针：1.实现RAII思想，2.实现指针的操作（-> 和 *）
//智能指针：1.实现RAII思想，2.实现指针的操作
template
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
cout << "delete" << endl;
_ptr = nullptr;
}
}
//模拟实现指针功能： * 和 ->
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
//常规的指针
int* pi = new int(2);
cout << *pi << endl;
*pi = 3;
cout << *pi << endl;
//普通指针malloc后需要手动释放
delete pi;
//智能指针
cout << "SmartPtr:" << endl;
SmartPtr sp(new int(10));
cout << *sp << endl;
*sp = 20;
cout << *sp << endl;
//智能指针编译器会在指针对象使用完成后，进行自动调用析构函数进行释放。
return 0;
}
![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第1张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/f4450e4900fd444fbfb9be82f2c92cb8.jpg)
智能指针的原理：
- 1. RAII特性
- 2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。
常见的三种智能指针
auto_ptr
模拟测试 C++98版本的库提供的auto_ptr
在使用库里面提供的智能指针，在进行多个智能指针对象管理同一份资源，仅被释放一次。
class A
{
public:
int _a = 1;
int _b = 2;
int _c = 3;
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
int main()
{
//多个智能指针对象管理同一份资源，仅被释放一次。
//一般禁止使用
auto_ptrsp3(new A());//库里的智能指针会优化，对多个对象管理一份资源只释放一次
sp3->_a = 20;
cout << sp3->_a << endl;
auto_ptrcopy(sp3);
copy->_a = 100;
cout << copy->_a << endl;
auto_ptrcopy2(copy);
copy2->_b = 1;
cout << copy2->_b << endl;
return 0;
}![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第2张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/63e9567b45314b31b27b43917e16325b.jpg)
假如我们使用自己上面写的SmartPtr进行多个对象管理同一份资源时，在使用结束后就会出错，出现二次释放问题。
#include
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include
using namespace std;
template
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
cout << "delete" << endl;
_ptr = nullptr;
}
}
//模拟实现指针功能： * 和 ->
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
class A
{
public:
int _a = 1;
int _b = 2;
int _c = 3;
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
int main()
{
//使用自己定义的智能指针多次释放
SmartPtrsp3(new A());
sp3->_a = 20;
cout << sp3->_a << endl;
SmartPtr copy (sp3);//假如多个我们自己实现智能指针同时管理一份资源，就会造成资源二次释放。
copy->_a = 100;
SmartPtr copy2 (copy);
copy2->_b = 1;
//system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第3张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/ed4de4da8dce4dfc957c050b99204a0e.jpg)
//测试 系统中auto_ptr智能指针，在对同一块空间被多个对象使用会不会造成程序奔溃问题
#include
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include
using namespace std;
class A
{
public:
int _a = 1;
int _b = 2;
int _c = 3;
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
int main()
{
auto_ptrsp3(new A());//库里的智能指针
sp3->_a = 20;
cout << sp3->_a << endl;
auto_ptrcopy(sp3);//这里发生一次拷贝，顺便将资源的管理权交给新的对象，它不会再拥有管理资源的能力
//sp3已经完成对资源管理权的转移，因此无法访问到_a成员，sp3指针被悬空，因此在这里程序会崩溃，空指针无法解引用。
//指针悬空
//sp3->_a = 1;
copy->_a = 100;
auto_ptrcopy2(copy);
//管理权转移，指针悬空，因此不能解引用访问。
//copy->_b = 1;
copy2->_b = 1;
return 0;
} 假如在上面程序中我们去掉//sp3->_a = 1; 和 //copy->_b = 1;注释，运行程序结果如下：
![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第4张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/08d55358422743d58548f9f1a32e9e5e.jpg)
崩溃原因：sp3已经完成对资源管理权的转移，因此它便无法访问到_a成员，sp3指针因此会被悬空，所以在这里程序会崩溃，空指针无法解引用。下面的copy原因同理类似。
auto_pt模拟实现
auto_ptr的实现原理：实现管理权转移的思想
拷贝时发生管理权转移，会导致当前被拷贝的智能指针悬空，最终会导致智能指针访问异常，程序崩溃，因此auto_ptr 禁止使用。
//模拟实现auto_ptr智能指针： 解决之前的auto_ptr存在二次释放问题
template
class AutoPtr {
public:
AutoPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~AutoPtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
cout << "delete" << endl;
_ptr = nullptr;
}
}
// 一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另ap与其所管理资源断开联系，
// 这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题
//浅拷贝，指针只是管理资源，不拥有资源
//管理权转移 拷贝构造
AutoPtr(AutoPtr& ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
//赋值运算符重载
AutoPtr& operator=(AutoPtr& 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;
//管理权转移
// 转移ap中资源到当前对象中
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
//实现指针功能：解引用 ->
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
class A
{
public:
int _a = 1;
int _b = 2;
int _c = 3;
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
int main()
{
AutoPtr sp4(new A());
sp4->_a = 10;
AutoPtr copy3(sp4);
copy3->_a = 100;
AutoPtr copy4(copy3);
copy4->_b = 1;
//只会调用一次析构 一次 delete
//system("pause");
return 0;
}
unique_ptr
使用库里面的unique_ptr
#include
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include
using namespace std;
int main()
{
unique_ptr up(new A());
up->_a = 10;
unique_ptr up2(new A());
//使用库里面unique_ptr：它禁止相互间的赋值行为，防赋值
up2 = up;
//使用库里面unique_ptr：它禁止相互间的拷贝行为,防拷贝
unique_ptr copy(up);
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第5张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/1978d25e1d324e0eacdb26ef43f094d1.jpg)
我们可以看到库里面的unique_ptr是防拷贝，防赋值。
模拟实现unique_ptr
只需要在上面实现SmartPtr 基础上禁止掉拷贝构造和赋值运算符重载函数。而在禁止掉拷贝构造和赋值运算符重载函数:有两种方法 {1}使用C++11语法delete {2}将两个函数定义为私有，只声明不实现
#include
using namespace std;
//模拟实现Unique_Ptr:只需要禁止掉拷贝构造和赋值运算符重载函数
template
class UniquePtr {
public:
UniquePtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~UniquePtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
cout << "delete" << endl;
_ptr = nullptr;
}
}
//禁止掉拷贝构造和赋值运算符重载函数:有两种方法 {1}使用C++11语法delete {2}将两个函数定义为私有，只声明不实现
//禁止拷贝构造
//C++11语法 声明成delete函数
UniquePtr(UniquePtr& ap) = delete;
//C++11语法
//禁止赋值运算符重载 声明成delete函数
UniquePtr& operator=(UniquePtr& ap) = delete;
//实现指针功能：解引用 还有 ->
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
//定义成私有，只声明不实现
//防拷贝构造
UniquePtr(UniquePtr& ap);
//防赋值运算符重载
UniquePtr& operator=(UniquePtr& ap);
T* _ptr;
};
class A
{
public:
int _a = 1;
int _b = 2;
int _c = 3;
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
int main()
{
//使用自己实现的UniquePtr测试拷贝和赋值操作
UniquePtr up3(new A());
UniquePtr copy2(up3);
UniquePtr up4(new A());
up4 = up3;
//system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第6张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/c4e817c1b14043caba9075928e009c2d.jpg)
unique_ptr特点：防拷贝，防赋值，安全的，可以使用。缺陷：不能进行拷贝赋值。
shared_ptr
使用库里面的shared_ptr
#include
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include
using namespace std;
class A
{
public:
int _a = 1;
int _b = 2;
int _c = 3;
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
int main()
{
shared_ptr sp(new A());
//查看引用计数，看当前资源被几个指针管理
cout << sp.use_count() << endl;//1
//可以拷贝
shared_ptr cope(sp);
cout << cope.use_count() << endl;//2
//可以赋值
shared_ptr sp2(new A());
cout << sp2.use_count() << endl;//1
sp2 = sp;
cout << sp2.use_count() << endl;//3
//程序结束释放两次delte
system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第7张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/50d46e3236c148a1beb6969adbd10bfc.jpg)
我们发现系统提供的shared_ptr是完全安全的。
模拟实现shared_ptr
我们在shared_ptr模拟实现:在释放资源时采用引用计数方法，因此在++引用计数或者--引用计数时必须保证原子性操作，因此我们使用了 mutex* _mtx 进而保证原子性操作
#include
#include
using namespace std;
//shared_ptr模拟实现:释放时采用引用计数方法
template
class SharedPtr{
public:
SharedPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _mtx(new mutex())
{}
SharedPtr(SharedPtr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _mtx(sp._mtx)
{
_mtx->lock();
++(*_pcount);
_mtx->unlock();
}
SharedPtr& operator=(SharedPtr& sp)
{
//if (this != sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
_mtx->lock();
--(*_pcount);
_mtx->unlock();
if (*_pcount == 0)
{
delete _pcount;
delete _ptr;
}
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
_mtx->lock();
++(*_pcount);
_mtx->unlock();
}
return *this;
}
~SharedPtr()
{
_mtx->lock();
--(*_pcount);
_mtx->unlock();
if (*_pcount == 0)
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
delete _pcount;
cout << "delete _ptr" << endl;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
}
//实现指针功能：解引用 还有 ->
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
int useCount()
{
return *_pcount;
}
private:
T* _ptr;
int *_pcount;
//不能给成静态的 不能使用一个引用计数表示所有资源被引用的数量，应该每一个资源都拥有自己的引用计数
//static int _count;
mutex* _mtx;//保证原子性操作
};
//template
//int SharedPtr::_count = 0;
int main()
{
SharedPtr sp(new int(1));
SharedPtr sp2(new int(2));
cout << sp.useCount() << endl;//1
cout << sp2.useCount() << endl;//1
SharedPtr copy(sp);
cout << sp.useCount() << endl;//2
cout << copy.useCount() << endl;//2
sp2 = sp;
cout << sp.useCount() << endl;//3
cout << sp2.useCount() << endl;//3
copy = sp;
cout << copy.useCount() << endl;//3
cout << sp.useCount() << endl;//3
system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第8张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/31d51c6d56ac4e76af0416961aeaba0e.jpg)
在多线程条件下的shared_ptr
#prama once //防止头文件多次引用
#include
#include
#include
using namespace std;
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include
template
class SharedPtr{
public:
SharedPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _mtx(new mutex())
{}
SharedPtr(SharedPtr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _mtx(sp._mtx)
{
/*_mtx->lock();
++(*_pcount);
_mtx->unlock();*/
addRef();
}
SharedPtr& operator=(SharedPtr& sp)
{
//if (this != sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
/*_mtx->lock();
--(*_pcount);
_mtx->unlock();*/
if (subRef() == 0)
{
delete _pcount;
delete _ptr;
}
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
/*_mtx->lock();
++(*_pcount);
_mtx->unlock();*/
addRef();
}
return *this;
}
~SharedPtr()
{
/*_mtx->lock();
--(*_pcount);
_mtx->unlock();*/
if (subRef() == 0)
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
delete _pcount;
cout << "delete _ptr" << endl;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
}
//实现指针功能：解引用 还有 ->
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
int useCount()
{
return *_pcount;
}
int addRef()
{
_mtx->lock();
++(*_pcount);
_mtx->unlock();
return *_pcount;
}
int subRef()
{
_mtx->lock();
--(*_pcount);
_mtx->unlock();
return *_pcount;
}
private:
T* _ptr;
int *_pcount;
//不能给成静态的 不能使用一个引用计数表示所有资源被引用的数量，应该每一个资源都拥有自己的引用计数
//static int _count;
mutex* _mtx;//保证原子性操作
};
#include
mutex mtx;
//使用自己定义的 SharedPtr
void fun(SharedPtr& sp, int n)
{
for (int i = 1; i <= n; ++i)
{
mtx.lock();
++(*sp);
mtx.unlock();
SharedPtr copy(sp);
}
}
void test1()
{
int n = 10000;
SharedPtr sp(new int(0));
thread t1(fun, sp, n);
thread t2(fun, sp, n);
t1.join();
t2.join();
cout << *sp << endl;//20000
cout << sp.useCount() << endl;//1
}
//使用库里面的 shared_ptr
void fun2(shared_ptrsp, int n)
{
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
mtx.lock();
++(*sp);
mtx.unlock();
shared_ptr copy(sp);
}
}
void test2()
{
int n = 10000;
shared_ptr sp(new int(0));
thread t1(fun2, sp, n);
thread t2(fun2, sp, n);
t1.join();
t2.join();
cout << *sp << endl;//20000
cout << sp.use_count() << endl;//1
}
int main()
{
test1();
//test2();
system("pause");
return 0;
} 在这里test1()是我们自己实现的shared_ptr ，而test2()我们使用的库里的shared_ptr 二者进行对比：
![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第9张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/6fea2b4c24914e51a7ebe8e41ed1398a.jpg)
![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第10张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/efdfde0b4d134567a75da23767194f11.jpg)
shared_ptr的循环引用问题
//循环引用 造成无法释放结点
template
class ListNode
{
public:
shared_ptr> _prev;
shared_ptr> _next;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
void test3()
{
shared_ptr> sp(new ListNode());
shared_ptr> sp2(new ListNode());
cout << sp.use_count() << endl;//1
cout << sp2.use_count() << endl;//1
sp->_next = sp2;
sp2->_prev = sp;
cout << sp.use_count() << endl;//2
cout << sp2.use_count() << endl;//2
//无法释放空间，没调用析构函数
}
int main()
{
test3();
system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第11张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/817de22e428847a1a81bb71227f0a720.jpg)
分析循环引用问题
- 1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
- 2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- 3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
- 4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
- 5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
- 6. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
如何解决？
//解决循环引用方法
template
class ListNode
{
public:
//weak_ptr:不会管理资源，也不会修改引用计数
weak_ptr> _prev;
weak_ptr> _next;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
void test3()
{
shared_ptr> sp(new ListNode());
shared_ptr> sp2(new ListNode());
cout << sp.use_count() << endl;//1
cout << sp2.use_count() << endl;//1
sp->_next = sp2;
sp2->_prev = sp;
cout << sp.use_count() << endl;//1
cout << sp2.use_count() << endl;//1
//weak_ptr: 不可以单独使用，需要借助shared_ptr进行初始化。
//weak_ptr wp(new int(2));
}
int main()
{
test3();
system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第12张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/cb2c155e18074b3c88b37dd36442eceb.jpg)
原理：sp->_next = sp2;和sp2->_prev = sp1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加sp1和sp2的引用计数。
注意：weak_ptr: 不可以单独使用，需要借助shared_ptr进行初始化
shared_ptr小结
通过引用计数完成拷贝，引用计数类型为指针类型，拷贝，属于shared_ptr的成员变量，不同的资源会有一个唯一的记录资源被引用的个数的空间，因此它是是安全的，可以使用的。
智能指针如果指向同一个资源，所访问的引用计数即为同一个空间的内容。
在拷贝时进行引用计数的增加，析构时进行引用计数的减减。释放资源：引用计数为0时释放资源。
线程安全：引用计数要保证线程安全，给每一份资源设置一把锁，修改对应的资源的引用计数时，先加锁。保证计数的修改为一个串行的操作，保证线程安全。
仿函数定制删除器
如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题。
//仿函数的删除器,定制删除器
class B
{
public:
~B()
{
cout << "~B()" << endl;
}
};
template
class DeleteArray
{
public:
//仿函数 ： 重载括号运算符函数
void operator() (T* ptr)
{
cout << "delete[]" << ptr << endl;
delete[] ptr;
}
};
template
class FreeDelete
{
public:
//仿函数 ： 重载括号运算符函数
void operator() (T* ptr)
{
cout << "free:" << ptr << endl;
free(ptr);
}
};
void test4()
{
shared_ptr sp(new int[10], DeleteArray());
shared_ptr sp2((int*)malloc(100), FreeDelete());
shared_ptr sp3(new B[10], DeleteArray());
shared_ptr sp4((B*)malloc(100),FreeDelete());
}
int main()
{
test4();
system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第13张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/4e717a1fbf4a4e07b27fd8d61818465a.jpg)
守卫锁
守卫锁:其实也是利用RAII思想,利用对象声明周期管理锁的生命周期：构造加锁，析构解锁。
//守卫锁 也是利用RAII思想,利用对象声明周期管理锁的生命周期：构造加锁，析构解锁。
template
class LockGuard
{
public:
LockGuard(Mtx& mtx)
:_mtx(mtx)
{
_mtx.lock();
}
~LockGuard()
{
cout << "~LockGuard()" << endl;
_mtx.unlock();
}
//防拷贝， 如果可以拷贝的话，导致多个对象同时解锁，而一个锁不能被解锁多次，因此需要防拷贝
LockGuard(const LockGuard& lg) = delete;
private:
// 注意这里必须使用引用，不支持拷贝，否则锁的就不是一个互斥量对象
Mtx& _mtx;
};
mutex mtx;
void fun()
{
int i;
cin >> i;
//mtx.lock();
LockGuard lg(mtx);
if (i == 9)
{
return;
cout << i << endl;
}
//mtx.unlock();
}
int main()
{
thread t1(fun);
thread t2(fun);
t1.join();
t2.join();
system("pause");
return 0;
} ![[C++]---智能指针介绍简单模拟实现_第14张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/07896f6c3d0f403683468f0c10dcfc0f.jpg)