C++-智能指针
智能指针
- 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
- std::shared_ptr的循环引用、std::weak_ptr
- C++11和boost中智能指针的关系
智能指针的使用及原理
- malloc出来的空间，没有进行释放，存在内存泄漏的问题。
- 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常，那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安全。
解决以上问题需要用智能指针
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。
#include智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。
#include总结智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。
std::auto_ptr
auto_ptr的实现原理：
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
// 1、RAII
// 2、重载operator* 和 operator-> 用起来像指针一样
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
// sp2(sp1) 管理权转移
auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
sp._ptr = nullptr;
}
// ap2 = ap3;
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
if (this != &ap)
{
delete _ptr;
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
cout << _ptr << endl;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
注：
- 这种方式是一种失败的设计，被质疑很久，一般公司都要求不要使用它。
- C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针
- C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
- auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
- 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
std::unique_ptr
unique_ptr的实现原理
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
// 1、RAII
// 2、重载operator* 和 operator-> 用起来像指针一样
unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
// 防拷贝
unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
cout << _ptr << endl;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
注意：
-
C++98 – 2011年中间这段，大家在使用boost库（第三方库）的智能指针
-
C++11 吸收了boost库中有价值的一些设计，将 boost – scoped_ptr shared_ptr weak_ptr这些智能指针转为C++11中的 – unique_ptr shared_ptr weak_ptr
-
设计思路，有些场景下面，智能指针仅仅用于管理资源，不需要拷贝。
std::shared_ptr
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。
模拟实现一份简答的shared_ptr
template<class T>
struct DefaultDel
{
void operator()(T* ptr)
{
delete ptr;
}
};
template<class T,class D = DefaultDel<T>>
class shared_ptr
{
template<class T>
friend class weak_ptr;
public:
explicit shared_ptr(T* ptr=nullptr)
:_ptr(ptr)
,_pCount(new int)
,_pMtx(new mutex)
{}
void add_ref()
{
_pMtx->lock();
(*_pCount)++;
_pMtx->unlock();
}
void release_ref()
{
bool flag = false;
_pMtx->lock();
if (--(*_pCount) == 0 && _ptr)
{
D del;
del (_ptr);
delete _pCount;
flag = true;
_ptr = nullptr;
}
_pMtx->unlock();
if (flag)
delete _pMtx;
}
shared_ptr(shared_ptr<T, D>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_pCount(sp._pCount)
,_pMtx(sp._pMtx)
{
add_ref();
}
/*shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
if (_ptr!=sp._ptr)
{
release_ref();
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
_pMtx = sp._pMtx;
add_ref();
}
return *this;
}*/
shared_ptr<T, D>& operator=(shared_ptr<T, D> sp)
{
swap(_ptr, sp._ptr);
swap(_pCount, sp._pCount);
swap(_pMtx, sp._pMtx);
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release_ref();
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator ->()
{
return _ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
int use_count()
{
return *_pCount;
}
private:
T* _ptr;
int* _pCount;
mutex* _pMtx;
};
- 设计思路：多个智能指针对象管理一块资源，这块资源，对应一个引用计数，析构时–计数，计数等于0时表示是最后一个管理对象，就释放资源
注意：
-
shared_ptr的线程安全问题分为两方面：
-
- 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，这样才能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。
补充：
- 模拟实现删除器的传递位置跟std的不太一样
- std的框架设计底层用一个类专门管理资源计数和释放，所以它可以再构造函数传参，把删除器类型传递给专门管理资源的这个类。
- 而模拟实现的这个是一体化的，只能lc::shared_ptr给删除器，析构函数才能拿到删除器
std::shared_ptr的循环引用、std::weak_ptr
weak_ptr的原理的模拟实现：
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
{}
weak_ptr(shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pCount(sp._pCount)
{}
weak_ptr(weak_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pCount(sp._pCount)
{}
weak_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
return *this;
}
weak_ptr<T>& operator=(weak_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
return *this;
}
private:
T* _ptr;
int* _pCount;
};
注意：
- weak_ptr不是常规意义的智能指针，没有接收一个原生指针的构造函数也不符合RAIl
- weak_ptr的对象，可以访问指向节点资源但是不参与节点资源释放管理，其实就是不增加计数
循环引用举例：
// 循环引用
struct ListNode
{
//问题：
//std::shared_ptr _prev;
//std::shared_ptr _next;
//解决方案：
std::weak_ptr<ListNode> _prev;
std::weak_ptr<ListNode> _next;
int val = 100;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
void test_cycle_ref()
{
std::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
//std::shared_ptr n3(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;
std::shared_ptr<ListNode> cur = node1;
while (cur.get() != nullptr)
{
cur->val++;
cout << cur->val << " ";
cur = cur->_next.lock();
// cur->_next.lock() weak_ptr的lock用指向的资源构造了一个shared_ptr
}
cout<<endl;
}
int main()
{
test_cycle_ref();
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，我们不需要手动delete。
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- 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。
- 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
补充：
如果不是new出来的对象，可以使用shared_ptr （shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题）
C++11和boost中智能指针的关系
- C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
- C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
- C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
- C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。
补充：
- 内存泄漏解决方案分为两种：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。
- 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