【C++】智能指针
文章目录
- 内存泄漏
-
- 内存泄漏的概念及其危害
- 内存泄漏分类
- 如何避免内存泄漏
- 智能指针
-
- RAII
- 智能指针的原理
-
- auto_ptr
- unique_ptr
- shared_ptr
-
- 循环引用的问题
- weak_ptr
内存泄漏
内存泄漏的概念及其危害
什么是内存泄漏：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：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
void MemoryLeaks()
{
// 1.内存申请了忘记释放
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
// 2.异常安全问题
int* p3 = new int[10];
Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
delete[] p3;
}
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，比方套接字、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：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
- 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。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。
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
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。
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if(_ptr)
delete _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 Func()
{
ShardPtr<int> sp1(new int);
ShardPtr<int> sp2(new int);
cout << div() << endl;
}
int main()
{
try {
Func();
}
catch(const exception& e) {
cout<<e.what()<<endl;
}
return 0;
}
智能指针的原理
auto_ptr
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。
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份 auto_ptr 来了解它的原理。
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 管理权转移
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
void test_auto()
{
auto_ptr<int> ap1(new int(1));
auto_ptr<int> ap2(ap1);
*ap1 = 1; // 管理权转移以后导致ap1悬空，不能访问
*ap2 = 1;
}
但是，auto_ptr 存在严重的问题：指针悬空。如上代码，ap2 拷贝了 ap1，此时 ap1 的 _ptr 成员变量就变成了 nullptr，ap1 无法使用了！这个问题导致 auto_ptr 的实用性并不高，实际情况中很少会使用该智能指针。
总结一下智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。
unique_ptr
unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份uniqueptr来了解它的原理。
unique_ptr 为了防止拷贝，需要让拷贝构造和赋值重载失效，可以使用两种思路：
- C++98：将拷贝构造和赋值重载只声明不定义，并且用 private 修饰。
- C++11：声明拷贝构造和赋值重载，并在声明的后面加上 delete 关键字。
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
// C++11思路：语法直接支持
unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;
// 防拷贝
// 拷贝构造和赋值是默认成员函数，我们不写会自动生成，所以我们不需写
// C++98思路：只声明不实现，但是用的人可能会在外面强行定义，所以再加一条，声明为私有
private:
//unique_ptr(const unique_ptr& up);
// unique_ptr& operator=(const unique_ptr& up);
private:
T* _ptr;
};
void test_unique()
{
unique_ptr<int> up1(new int(1));
//unique_ptr up2(up1);
}
shared_ptr
shared_ptr的原理：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。
既然是多个 shared_ptr 对象共享资源，在多线程情况下，就必然涉及线程安全的问题，对临界资源（引用计数）的访问，必须加锁。
同时，某个对象被销毁，要判断它是不是最后一个使用该资源的对象，是的话，要进行资源的清理。同时，为了销毁锁，可以设置一个 deleteFlag，当它的值为1，表示当前销毁的对象是最后一个，可以根据 deleteFlag 来判断是否要销毁锁。
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
shared_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _pmtx(new mutex)
{}
template<class D>
shared_ptr(T* ptr ,D del)
:_ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _pmtx(new mutex)
,_del(del)
{}
~shared_ptr()
{
Release();
}
void Release()
{
_pmtx->lock();
bool deleteFlag = false;
if (--(*_pcount) == 0)
{
if (_ptr)
{
_del(_ptr);
}
delete _pcount;
deleteFlag = true;
// delete _pmtx; 如何解决？
}
_pmtx->unlock();
if (deleteFlag)
{
delete _pmtx;
}
}
void AddCount()
{
_pmtx->lock();
++(*_pcount);
_pmtx->unlock();
}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _pmtx(sp._pmtx)
{
AddCount();
}
// sp1 = sp4
// sp1 = sp1;
// sp1 = sp2;
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
Release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
_pmtx = sp._pmtx;
AddCount();
}
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get()const
{
return _ptr;
}
int use_count()
{
return *_pcount;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
std::mutex* _pmtx;
function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {
cout << "function defalut lambda delete" << endl;
delete ptr;
};
};
循环引用的问题
如下，在链表的节点中， _prev、_next 分别是指向前驱、后继节点的 shared_ptr 智能指针。
node1->_next = node2; 将 node2 节点拷贝到 node1 的 _next，由于 shared_ptr 的特性， node2 的引用计数 +1。
node2->_prev = node1; 同上， node1 的引用计数 +1。
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;
}
- 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，由于 shared_ptr 的特性，只是引用计数 - 1，减完1 之后 node1 和 node2 的引用计数都是 1。（_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。
如下图所演示的。
为了解决循环引用的问题，引入了 weak_ptr。
weak_ptr
weak_ptr 不是常规的智能指针，不支持RAII。但是它支持像指针一样去使用。
weak_ptr 是专门设计出来，辅助解决shared_ptr的循环引用问题。它可以指向资源，但是他不参与管理，不增加引用计数。
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
// 循环引用
struct ListNode
{
//shared_ptr _next;
//shared_ptr _prev;
// 换成 weak_ptr 解决问题
weak_ptr<ListNode> _next;
weak_ptr<ListNode> _prev;
int _val;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};