C++ 智能指针
文章目录
- 为什么需要智能指针？
- 内存泄漏
- 什么是内存泄漏
- 内存泄漏的危害
- 内存泄漏分类
- 如何避免内存泄漏
- 智能指针的使用及原理
- RAII
- 智能指针的原理
- std::auto_ptr
- std::unique_ptr
- std::shared_ptr
- shared_ptr的线程安全
- std::shared_ptr的循环引用
- 定制删除器
- 锁管理守卫
为什么需要智能指针？
C++由于没有gc(Java的自动回收机制)，new/malloc 等出来的资源，是需要我们去手动释放。在开发过程中常常会出现这两种问题：
- 1、忘记释放（粗心大意）
- 2、发生异常安全问题(由于抛异常的机制，可能导致资源未释放)
// 异常可能会导致的异常安全问题
new / fopen / lock
func(); // 如果抛异常就会有异常安全问题 -> 捕获重新抛出 or RAII 解决
delete/fclose/ unlock//抛异常后，这里的释放资源逻辑就不会执行，导致内存泄露
C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄漏，在lock和unlock之间抛出了异常导致死锁；
C++经常使用RAII思想（利用对象的生命周期来托管资源）来解决以上问题。
而智能指针是RAII思想的一种应用的体现
本质RAII就是借助构造函数和析构函数来管理，因为构造函数和析构函数的特点都是自动调用。
内存泄漏
什么是内存泄漏
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的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应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
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务、服务器程序等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
内存泄漏分类
C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：
堆内存泄漏(Heap leak)
堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
系统资源泄漏
指程序使用系统分配的资源，比如套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。
如何避免内存泄漏
- 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个是理想状态。但是如果碰上异常安全问题时，就算注意释放了，还是可能会出问题。
- 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
- 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
- 出问题了使用内存泄漏工具检测。
总结一下:
内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：
1、事前预防型。如智能指针等。
2、事后查错型。如泄漏检测工具。
智能指针的使用及原理
RAII
RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。
在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之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。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。
这种做法有两大好处：
- 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。
智能指针的原理
智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->，使其具有像指针一样的行为。
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类//并重载指针的操作符，让其和指针一样使用
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
//管理的指针，所以再重载下指针的基本操作（像指针一样使用）
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
int div()
{
int a, b;
cin >> a >> b;
if (b == 0)
throw invalid_argument("除0错误");
return a / b;
}
void f1()
{
//使用重复抛出
/*int* p = new int;
try
{
cout << div() << endl;
}
catch (...)
{
delete p;
throw;
}
delete p;*/
//使用RAII智能指针来托管
int* p = new int;
SmartPtr<int> sp1(p); // 讲p指针委托给了smartptr对象
*sp1 = 10; //也可以向指针一样使用
/*SmartPtr> sp2(new pair);
sp2->first = 20;
sp2->second = 30;*/
cout << div() << endl;
//出作用域后自动调用析构函数完成资源的释放
}
int main()
{
try
{
f1();
}
catch (exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
std::auto_ptr
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。使用管理权转移的思想。
auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了（不可操作了）。
注意：C++98中设计的auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr
下面简化模拟实现了一份auto_ptr来了解它的原理
// C++98 auto_ptr
// 管理权转移. 早期设计缺陷，一般公司都明令禁止使用它
// 缺陷：ap2 = ap1场景下ap1就悬空了，访问就会报错
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
// 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（double free问题）
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
// ap1 = ap2
auto_ptr<T>& operator=(const auto_ptr<T>& ap)
{
if (this != &ap)// 检测是否为自己给自己赋值
{
if (_ptr)// 释放当前对象中资源
delete _ptr;
_ptr = ap._ptr;// 转移ap中资源到当前对象中
ap._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
//问题：
auto_ptr<int> ap1(new int);
auto_ptr<int> ap2 = ap1;
*ap1 = 1; //这里就会出现悬空崩溃，如果不熟悉他的特性就会被坑
std::unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr：
unique_ptr的设计思路非常的粗暴-----》防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。
下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理
// C++11 unique_ptr
// 防拷贝。 简单粗暴，推荐使用
// 缺陷：如果有需要拷贝的场景，他就没法使用
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
// C++98防拷贝的方式：将构造函数只声明不实现 + 声明成私有函数
// C++11防拷贝的方式：delete
unique_ptr(unique_ptr<T>& up) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>& up) = delete;
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
//缺陷：
unique_ptr<int> up1(new int);
unique_ptr<int> up2(up1);//不允许此操作；
std::shared_ptr
C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr， shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝。
shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源：
- shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
- 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
- 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；
- 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。
下面简化模拟实现了一份shared_ptr来了解它的原理:
// C++11 shared_ptr
// 引用计数，可以拷贝
// 缺陷：需要注意线程安全问题和循环引用
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
shared_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _pmtx(new mutex)
{}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _pmtx(sp._pmtx)
{
add_ref_count();//线程安全的加加操作
}
// sp1 = sp4
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
if (this != &sp)
{
// 减减引用计数，如果我是最后一个管理资源的对象，则释放资源
release();
// 管理新的资源
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
_pmtx = sp._pmtx;
//且计数加一
add_ref_count();
}
return *this;
}
void add_ref_count()
{
_pmtx->lock();
++(*_pcount);
_pmtx->unlock();
}
void release()
{
bool flag = false;
_pmtx->lock();
if (--(*_pcount) == 0)//该对象最后还管理了一个资源，且是这个资源的最后管理者，则释放该资源 .且整个逻辑也要为线程安全的
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
delete _pcount;
_pcount = nullptr;
flag = true;
//注意这里还不能释放锁资源，因为当前还在锁逻辑中，一旦释放后，解不了锁，将会一直阻塞，谁也无法继续运行逻辑
//所以用一个判断值来标记
}
_pmtx->unlock();
if (flag == true)
{
delete _pmtx;
_pmtx = nullptr;
}
}
~shared_ptr()
{
release();
}
int use_count()
{
return *_pcount;
}
T* get_ptr() const
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
// 记录有多少个对象一起共享管理资源，最后一个析构释放资源
int* _pcount;
mutex* _pmtx; //计数操作不是原子操作，是线程安全问题，所以要加锁配和
};
shared_ptr的线程安全
需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：
- 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以智能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
- 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。
// shared_ptr的拷贝赋值时线程安全问题
// shared_ptr是否是线程安全的，
//答：注意这里问题的shared_ptr对象拷贝和析构++/--引用计数是否是安全的，库的实现中是安全的。
#includestd::shared_ptr的循环引用
struct ListNode
{
int _data;
shared_ptr<ListNode> _prev;
shared_ptr<ListNode> _next;
~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
循环引用分析：
- node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1。
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- node1和node2析构后，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点，_prev还指向上一个节点。
- 也就是说_next析构了，node2就释放了。
- 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
- 但是_next属于node1的成员，node1释放了，_next才会析构；
而node1又由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了.
原理就是:
node1->_next = node2;以及node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。
struct ListNode
{
int _data;
weak_ptr<ListNode> _prev; //改为weak-ptr
weak_ptr<ListNode> _next;
~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
严格来说weak_ptr不是智能指针，因为他没有RAII资源管理机制
是用来专门解决shared_ptr的循环引用问题的。
简单模拟实现：
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr() = default;
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get_ptr())
{}
weak_ptr<T>& operator = (const shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get_ptr();
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
定制删除器
分析: C++11中没有xxx_ array版本，那么如果是new[]出来的对象或者不是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。
定制删除器(传一个实现释放方式仿函数对象进去给智能指针)
// 定制删除器 -- （了解）
#include锁管理守卫
RAII思想除了可以用来设计智能指针，还可以用来设计守卫锁，防止异常安全导致的死锁问题。
#include