c++ 学习系列 -- 智能指针
一 为什么引入智能指针？解决了什么问题？
C++ 程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。但使用普通指针，容易造成内存泄露（忘记释放）、二次释放、程序发生异常时内存泄露等问题等。
另外，使用普通指针容易产生 野指针、悬空指针 等问题。
所以 C++11 就引入了智能指针来管理内存。
二 常用的智能指针与区别
常用智能指针有 shared_ptr、unique_ptr 与 weak_ptr
- unique_ptr: 独占式指针，同一时刻只允许有一个 unique_ptr 指针指向一个对象
- shared_ptr: 共享式指针，同一时刻允许多个 shared_ptr 指针指向同一个对象。
- 缺点：出现相互引用时，容易导致死锁或者内存无法释放内存的问题
- weak_ptr: 为了解决 shared_ptr 相互引用可能导致的死锁或无法释放内存的问题而引入，通常与shared_ptr 配合使用。但是由于缺少引用计数，一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放。 C++11智能指针（weak_ptr） - 简书 (jianshu.com)
三 常用智能指针使用例子
1 unique_ptr 例子
unique_ptr 是一个独享所有权的智能指针
#include
#include
#include
class Person
{
public:
Person(std::string name):m_name(name)
{
std::cout << "Person constructor name: " << m_name << std::endl;
}
~Person()
{
std::cout << "Person destructor name: " << m_name << std::endl;
}
private:
std::string m_name;
};
#include
void testUniquePtr()
{
std::unique_ptr p1_ptr(new Person("P1 ---"));
std::unique_ptr p2_ptr = std::move(p1_ptr);
// std::unique_ptr p3_ptr = p2_ptr; // 编译不过
// std::unique_ptr p4_ptr(p2_ptr); // 编译不过
}
int main(int argc, char *argv[])
{
testUniquePtr();
return 0;
}
输出
2 shared_ptr 例子
#include
#include
#include
using namespace std;
void testSharedPtr()
{
shared_ptr pa(new string("PAAAA"));
shared_ptr pb(new string("PBBBB"));
cout << "*pa " << *pa << endl;//CHN
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1
cout << "*pb " << *pb << endl;//USA
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
pa = pb;
cout << *pa << endl;//USA
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2：pa和pb指向同一个资源USA了，该资源的计数为2，所以pb、pb都输出2
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//2
pa.reset();
pb.reset();
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//0
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//0
}
int main(int argc, char *argv[])
{
testSharedPtr();
return 0;
}
3 weak_ptr 例子
3.1 shared_ptr 相互引用的问题
// a.h
#include
class B;
class A
{
public:
A()
{
std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
}
public:
std::shared_ptr m_b_ptr;
};
// b.h
#include
class A;
class B
{
public:
B()
{
std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
}
~B()
{
std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
}
public:
std::shared_ptr m_a_ptr;
};
// main.cpp
void testSharedPtr()
{
std::shared_ptr pa(new A);
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1
std::shared_ptr pb(new B);
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
pa->m_b_ptr = pb;
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//2
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1
pb->m_a_ptr = pa;
//由于share_ptr是共享资源，所以pb所指向的资源的引用计数也会加1
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//2
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
}
int main(int argc, char *argv[])
{
testSharedPtr();
return 0;
}
输出 ：
通过输出可以看到未执行析构函数，存在内存泄漏。
引用计数分别增加到了 2 ，不为 0 就意味着无法释放内存。
3.2 weak_ptr 与 share_ptr 使用
// a.h
#include
class B;
class A
{
public:
A()
{
std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
}
public:
std::weak_ptr m_b_ptr;
};
// b.h
#include
class A;
class B
{
public:
B()
{
std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
}
~B()
{
std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
}
public:
std::shared_ptr m_a_ptr;
};
// main.cpp
void testWeakPtr()
{
std::shared_ptr pa(new A);
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1
std::shared_ptr pb(new B);
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
pa->m_b_ptr = pb;
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
pb->m_a_ptr = pa;
cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1 由于 weak_ptr 是弱引用，不会增加引用计数
cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2 由于share_ptr是共享资源，所以pb所指向的资源的引用计数也会加1
}
int main(int argc, char *argv[])
{
testWeakPtr();
return 0;
}
输出：
通过输出可以看到执行析构函数，不存在内存泄漏。
// 资源B的引用计数一直就只有1，当pb析构时，B的计数减一，变为0，B得到释放，
// B释放的同时也会使A的计数减一，同时pa自己析构时也会使资源A的计数减一，那么A的计数为0，A得到释放。
四 智能指针的原理与简单实现
智能指针实际运用的就是c++ 中的 RAII 技术，详情见 C++ 学习系列 二 -- RAII 机制_在河之洲木水的博客-CSDN博客
1. unique_ptr
因为是独占型指针，不可以拷贝与赋值，所以需要禁止拷贝构造函数与赋值函数
// my_nuique_ptr.h
template
class my_unique_ptr
{
public:
my_unique_ptr(T* ptr = nullptr);
~my_unique_ptr();
my_unique_ptr(my_unique_ptr&& other_ptr); // c++ 中声明移动构造函数后，则自动禁用拷贝构造函数
my_unique_ptr& operator=(my_unique_ptr&& other_ptr); // c++ 中声明移动赋值函数后，则自动禁用拷贝赋值函数
T& operator*() const; // 指针的基本操作，取值
T* operator->() const;
operator bool() const; // 提供一个本类型到bool的隐式转换，不允许使用参数
private:
T* m_ptr;
};
template
my_unique_ptr::my_unique_ptr(T* ptr):m_ptr(ptr)
{
}
template
my_unique_ptr::~my_unique_ptr()
{
delete m_ptr;
}
template
my_unique_ptr::my_unique_ptr(my_unique_ptr&& other_ptr)
{
this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
other_ptr.m_ptr = nullptr;
}
template
my_unique_ptr&
my_unique_ptr::operator=(my_unique_ptr&& other_ptr)
{
this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
other_ptr.m_ptr = nullptr;
return this;
}
template
T& my_unique_ptr::operator*() const
{
return *m_ptr;
}
template
T* my_unique_ptr::operator->() const
{
return m_ptr;
}
template
my_unique_ptr::operator bool() const
{
return m_ptr;
}
// main.cpp
#include
#include"my_unique_ptr.h"
void testFunc2()
{
my_unique_ptr my_ptr(new Person("p1 ------"));
std::cout << "person name1: "<getName() << std::endl;
my_unique_ptr my_ptr2(std::move(my_ptr));
std::cout << "person name2: "<getName() << std::endl;
//my_unique_ptr my_ptr3 = my_ptr; // 编译失败
// my_unique_ptr my_ptr4(my_ptr); // 编译失败
}
int main()
{
testFunc2();
return 0;
}
输出：
2. shared_ptr
shared_ptr 是共享型指针，同一时刻可以右多个指针指向同一个对象，只有最后一个指针离开作用域时，才会调用对象的析构函数，释放对象中的资源。
那么是如何实现的呢？
答案是：利用引用计数法。在 类 shared_ptr 中定义一个成员变量引用计数 share_count ，当有一个指针指向相同的对象时，就将 share_count 就自增 1，为了各 shared_ptr 的引用计数 share_count 同时增加，可以将 share_count 手动开辟一个空间，用普通指针指向它。
若是考虑到多线程的场景，还应该将 引用计数 share_count 加上锁才可以。
// my_shared_ptr.h
#include
static std::mutex gMutex;
template
class my_shared_ptr
{
public:
my_shared_ptr(T* ptr = nullptr);
~my_shared_ptr();
my_shared_ptr(my_shared_ptr& other_ptr);
my_shared_ptr& operator=(my_shared_ptr& other_ptr);
T& operator*();
T* operator->();
int user_count();
private:
void addCount();
void minusCount();
T* m_ptr;
int* share_count = nullptr;
};
template
my_shared_ptr::my_shared_ptr(T* ptr):m_ptr(ptr)
{
if(!share_count)
{
share_count = new int(1);
}
}
template
my_shared_ptr::~my_shared_ptr()
{
minusCount();
if((*this->share_count) == 0 && m_ptr)
delete m_ptr;
}
template
my_shared_ptr::my_shared_ptr(my_shared_ptr& other_ptr)
{
this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
this->share_count = other_ptr.share_count;
addCount();
}
template
my_shared_ptr& my_shared_ptr::operator=(my_shared_ptr& other_ptr)
{
this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
this->share_count = other_ptr.share_count;
addCount();
return *this;
}
template
T& my_shared_ptr::operator*()
{
return *this->m_ptr;
}
template
T* my_shared_ptr::operator->()
{
return this->m_ptr;
}
template
void my_shared_ptr::addCount()
{
std::lock_guard guard(gMutex);
(*this->share_count)++;
}
template
void my_shared_ptr::minusCount()
{
std::lock_guard guard(gMutex);
(*this->share_count)--;
}
template
int my_shared_ptr::user_count()
{
return *this->share_count;
}
// person.h
#include
class Person
{
public:
Person(std::string name);
Person(const Person& p);
~Person();
std::string& getName();
private:
std::string m_name;
};
// person.cpp
#include "person.h"
#include
Person::Person(std::string name):m_name(name)
{
std::cout << "Person constructor name: " << m_name << std::endl;
}
Person::Person(const Person& p)
{
this->m_name = p.m_name;
std::cout << "Person copy constructor name: " << this->m_name << std::endl;
}
Person::~Person()
{
std::cout << "Person destructor name: " << m_name << std::endl;
}
std::string& Person::getName()
{
return m_name;
}
// main.cpp
void testMySharedPtr()
{
my_shared_ptr ptr1(new Person("ptr1 ---"));
std::cout << "ptr1 user_count: " << ptr1.user_count() << std::endl;
my_shared_ptr ptr2(ptr1);
std::cout << "ptr1 user_count: " << ptr1.user_count() << std::endl;
std::cout << "ptr2 user_count: " << ptr2.user_count() << std::endl;
my_shared_ptr ptr3 = ptr2;
std::cout << "ptr1 user_count: " << ptr1.user_count() << std::endl;
std::cout << "ptr2 user_count: " << ptr2.user_count() << std::endl;
std::cout << "ptr3 user_count: " << ptr3.user_count() << std::endl;
}
int main()
{
testMySharedPtr();
return 0;
}
输出
3. weak_ptr
前面提到过，weak_ptr 是与 shared_ptr 配合使用的，weak_ptr 无引用计数。
// my_weak_ptr.h
template
class my_weak_ptr
{
public:
my_weak_ptr(T* ptr = nullptr);
~my_weak_ptr();
my_weak_ptr(my_weak_ptr& other_ptr);
my_weak_ptr& operator=(my_weak_ptr& other_ptr);
T& operator*();
T* operator->();
private:
T* m_ptr;
};
template
my_weak_ptr::my_weak_ptr(T* ptr):m_ptr(ptr)
{
}
template
my_weak_ptr::~my_weak_ptr()
{
if(m_ptr)
delete m_ptr;
}
template
my_weak_ptr::my_weak_ptr(my_weak_ptr& other_ptr)
{
this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
}
template
my_weak_ptr& my_weak_ptr::operator=(my_weak_ptr& other_ptr)
{
this->m_ptr = other_ptr.m_ptr;
return *this;
}
template
T& my_weak_ptr::operator*()
{
return *this->m_ptr;
}
template
T* my_weak_ptr::operator->()
{
return this->m_ptr;
}
// A.h
#include"my_weak_ptr.h"
class B;
class A
{
public:
A();
~A();
public:
my_weak_ptr m_b_ptr;
};
// A.cpp
A::A()
{
std::cout << "A constructor ---" << std::endl;
}
A::~A()
{
std::cout << "A destructor ---" << std::endl;
}
// B.h
#include"my_shared_ptr.h"
class A;
class B
{
public:
B();
~B();
public:
my_shared_ptr m_a_ptr;
};
// B.cpp
#include "b.h"
#include
B::B()
{
std::cout << "B constructor ---" << std::endl;
}
B::~B()
{
std::cout << "B destructor -- " << std::endl;
}
// main.cpp
void testMyWeakPtr()
{
my_shared_ptr pa(new A);
my_weak_ptr pb(new B);
pa->m_b_ptr = pb;
pb->m_a_ptr = pa;
}
int main()
{
testMyWeakPtr();
return 0;
}
输出：
忽视其中 B 析构了两次，通过结果可以看到，A 与 B 均能够析构。