C++智能指针
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C++map和set
C++无序容器（哈希）
C++特殊类以及单例模式
C++11的一些新特性
C++异常
文章目录
- 系列文章目录
- 前言
- 一、 内存泄漏
-
- 1.什么是内存泄漏
- 2.内存泄漏的分类
- 二、智能指针
-
- 1.RAII（Resource Acquisition Is Initialization）
- 2.std::auto_ptr
- 3.std::unique_ptr
- 4.std::shared_ptr
-
- 1.std::shared_ptr的线程安全问题
- 2.std::shared_ptr的循环引用
前言
有这样一段代码：
int div()
{
int a, b;
cin >> a >> b;
if (b == 0)
throw invalid_argument("除0错误");
return a / b;
}
void Func()
{
// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
int* p1 = new int;
int* p2 = new int;
cout << div() << endl;
delete p1;
delete p2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
可以发现，当我们抛出异常后，原先申请的空间并没有释放掉，这就会造成一个严重的问题，内存泄漏。
一、 内存泄漏
1.什么是内存泄漏
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： 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。
2.内存泄漏的分类
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。
二、智能指针
1.RAII（Resource Acquisition Is Initialization）
RAII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：
- 不需要显式的释放资源。
- 采用这种方式，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。
代码如下（示例）：
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()
{
SmartPtr<int> sp1(new int);
SmartPtr<int> sp2(new int);
cout << div() << endl;
}
int main()
{
try {
Func();
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
同时，为了让智能指针像指针一样去使用，我们还必须重载operator*()和operator->():
template<class T>
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
private:
T* _ptr;
};
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
SmartPtr<int> sp1(new int);
*sp1 = 10
cout << *sp1 << endl;
SmartPtr<int> sparray(new Date);
// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
sparray->_year = 2018;
sparray->_month = 1;
sparray->_day = 1;
}
2.std::auto_ptr
C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。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bit::auto_ptr来了解它的原理:
代码如下（示例）：
template<class T>
class auto_ptr {
public:
//RAII机制
auto_ptr(T* ptr)
: ptr_(ptr) {}
~auto_ptr() {
if (ptr_) {
std::cout << "delete:" << ptr_ << std::endl;
delete ptr_;
}
}
//管理权转移(保证只有一个对象管理资源)
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
: ptr_(ap.ptr_) {
ap.ptr_ = nullptr;
}
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap) {
if (ap.ptr_ != ptr_) {
delete ptr_;
ptr_ = ap.ptr_;
ap.ptr_ = nullptr;
}
return *this;
}
//实现operator&和operator*,使其像指针一样使用
T& operator*() {
return *ptr_;
}
T* operator->() {
return ptr_;
}
private:
T* ptr_;
};
auto_ptr是一个失败的设计，它的拷贝构造和赋值运算符重载会造成指针悬空，导致原来的智能指针无法使用。
3.std::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unique_ptr来了解它的原理:
// C++11库才更新智能指针实现
// C++11出来之前，boost搞除了更好用的scoped_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// C++11将boost库中智能指针精华部分吸收了过来
// C++11->unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// unique_ptr/scoped_ptr
// 原理：简单粗暴 -- 防拷贝
namespace bit
{
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
private:
T* _ptr;
};
}
//int main()
//{
// /*bit::unique_ptr sp1(new int);
// bit::unique_ptr sp2(sp1);*/
//
// std::unique_ptr sp1(new int);
// //std::unique_ptr sp2(sp1);
//
// return 0;
//}
4.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。
template<class T>
class share_ptr {
private:
void AddRef() {
++*count_;
}
void ReleaseRef() {
if (-- * count_ == 0) {
std::cout << "delete:" << ptr_ << std::endl;
delete ptr_;
delete count_;
}
}
public:
//RAII机制
share_ptr(T* ptr)
: ptr_(ptr)
, count_(new int(1)){}
~share_ptr() {
ReleaseRef();
}
share_ptr(const share_ptr<T>& sp)
: ptr_(sp.ptr_)
, count_(sp.count_){
AddRef();
}
share_ptr<T>& operator=(const share_ptr<T>& sp) {
if (ptr_ != sp.ptr_) {
ReleaseRef();
count_ = sp.count_;
ptr_ = sp.ptr_;
AddRef();
}
return *this;
}
//实现operator&和operator*,使其像指针一样使用
T& operator*() {
return *ptr_;
}
T* operator->() {
return ptr_;
}
private:
T* ptr_;
int* count_;
};
1.std::shared_ptr的线程安全问题
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。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。所以只能指针中引用计数++、–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。
struct Date
{
int _year = 0;
int _month = 0;
int _day = 0;
};
void SharePtrFunc(bit::shared_ptr<Date>& sp, size_t n, mutex& mtx)
{
cout << sp.get() << endl;
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。
bit::shared_ptr<Date> copy(sp);
// 这里智能指针访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n
次，但是最终看到的结果，并一定是加了2n
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_year++;
copy->_month++;
copy->_day++;
}
}
}
int main()
{
bit::shared_ptr<Date> p(new Date);
cout << p.get() << endl;
const size_t n = 100000;
mutex mtx;
thread t1(SharePtrFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx));
thread t2(SharePtrFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx));
t1.join();
t2.join();
cout << p->_year << endl;
cout << p->_month << endl;
cout << p->_day << endl;
cout << p.use_count() << endl;
return 0;
}
2.std::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;
}
上面的代码就会造成循环引用： 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，_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。
_prev不会增加node1和node2的引用计数。
struct ListNode
{
int _data;
weak_ptr<ListNode> _prev;
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;
}
//不参与资源管理，但是可以像指针一样使用
template<class T>
class weak_ptr {
public:
weak_ptr()
: ptr_(nullptr) {}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
: ptr_(sp.get()) {}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
ptr_ = sp.get();
return *this;
}
T& operator*() {
return *ptr_;
}
T* operator->() {
return ptr_;
}
private:
T* ptr_;
};
对于new一个对象而言，这样是足够的，但是如果一次new多个对象，就会出现问题了，为了解决这种情况，我们可以增加一个仿函数删除器。来进行相对应的delete：
// 仿函数的删除器
template<class T>
struct FreeFunc {
void operator()(T* ptr)
{
cout << "free:" << ptr << endl;
free(ptr);
}
};
template<class T>
struct DeleteArrayFunc {
void operator()(T* ptr)
{
cout << "delete[]" << ptr << endl;
delete[] ptr;
}
};
int main()
{
FreeFunc<int> freeFunc;
std::shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
std::shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
std::shared_ptr<A> sp4(new A[10], [](A* p) {delete[] p; });
std::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* p)
{fclose(p); });
return 0;
}