日常随笔(c++11)——RAII与智能指针
文章目录
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- 1. RAII机制
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- 1.1 为什么要使用RAII
- 1.2 如何使用RAII
- 2. 智能指针
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- 2.1 智能指针的使用
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- 2.1.1 share_ptr的使用
- 2.1.2 unique_ptr的使用
- 2.1.3 weak_ptr的使用
- 2.2 普通指针的局限性
- 2.3 循环引用
- 2.4 正确的解决方法
- 3 参考链接
1. RAII机制
RAII全程是Resource Acquisition Is Initialization（资源获取初始化），是C++的一种管理资源、避免内存泄漏的方法。利用的就是C++构造的对象最终都会被销毁的原则。
RAII的做法就是使用一个对象，在对象被构造是申请获取其对应的资源；在对象生命周期内控制对资源的访问，使之保持有效；在对象析构的时候，释放构造时获取的资源
1.1 为什么要使用RAII
- 计算机资源是有限的，不能够一直申请新的资源，而不释放已用完的资源。在使用资源的时候，必须遵循一个步骤：
- 申请资源
- 使用资源
- 释放资源
第一步和第二步缺一不可，如果资源使用完成后，不进行释放，则会造成内存泄漏。
- 提高程序的效率和可理解性、可维护性
下面的一个例子，就是申请资源、使用资源、释放资源的过程：
#include 这是一个简单的例子，如果在大型程序中，都这样设计，代码就会显得很臃肿，而且开发的时候也很容易遗忘释放申请过的资源。
1.2 如何使用RAII
当我们在一个函数内部使用局部变量，当退出了这个局部变量的作用域时，这个变量也就别销毁了；当这个变量是类对象时，这个时候，就会自动调用这个类的析构函数，而这一切都是自动发生的，不要程序员显示的去调用完成。这个也太好了，RAII就是这样去完成的
由于系统的资源不具有自动释放的功能，而C++中的类具有自动调用析构函数的功能。如果把资源用类进行封装起来，对资源操作都封装在类的内部，在析构函数中进行释放资源。当定义的局部变量的生命结束时，它的析构函数就会自动的被调用，如此，就不用程序员显示的去调用释放资源的操作了。
下面给出一个将互斥锁封装的例子：
#include "mutex.h"
class MutexLock {
public:
explicit MutexLock(Mutex *mu)
: mu_(mu) {
this->mu_->Lock();
}
~MutexLock() { this->mu_->Unlock(); }
private:
Mutex *const mu_;
// No copying allowed
MutexLock(const MutexLock&);
void operator=(const MutexLock&);
};
当创建MutexLock对象的时候，将会将锁锁上，当MutexLock对象析构的时候，就会将锁解开，使用如下：
#include "mutexlock.hpp"
#include 2. 智能指针
智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr
C++11中引入智能指针的概念，是为了方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成内存泄漏（忘记释放），二次释放等问题。
堆是用来存放运行过程中动态分配的内存段，大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）
理解智能指针还应该从以下三个层次考虑：
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从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，即在创建和析构的时候会自动对申请的资源进行管理，行为表现的却像一个指针。
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智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
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智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：
Animal a = new Animal();
Animal b = a;
这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，
Animal a;
Animal b = a;这里却是就是生成了两个对象。
2.1 智能指针的使用
2.1.1 share_ptr的使用
share_ptr可以实现多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
- 初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared_ptr p4 = new int(1);的写法是错误的
- 拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。
- get函数获取原始指针
- 注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存
- 注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。
#include ptrb = pb; //error 不能用指针赋值
std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);
ptra2 = ptrb; //assign
pb = ptrb.get(); //获取原始指针
std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
std::cout << "ptra : " << *ptra << std::endl;
std::cout << "ptrb : " << *ptrb << std::endl;
}
}
2.1.2 unique_ptr的使用
unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权
#include uptr2 = uptr; //不能賦值
//std::unique_ptr uptr2(uptr); //不能拷貝
std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權
uptr2.release(); //释放所有权
}
//超過uptr的作用域，內存釋放
}
2.1.3 weak_ptr的使用
weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。
- weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。
- 使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。
- weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。
#include 2.2 普通指针的局限性
考虑一个简单的对象建模——家长与子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。
如果使用原始指针作为成员，Child和Parent由谁释放？那么如何保证指针的有效性？如何防止出现空悬指针？这些问题是C++面向对象编程麻烦的问题，下面的原始指针做法，就会造成空悬指针的问题，即指针会指向一块已经释放的地址。
#include 2.3 循环引用
shared_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。但是这个模型存在循环引用的问题，即当有两个类，内部成员都包含一个指向另一个类对象的指针，此时如果使用share_ptr，就会造成循环引用。
#include 用家长与子女类：
#include 2.4 正确的解决方法
用weak_ptr代替其中的一个share_ptr。
#include ChildPtr;
std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
public:
void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
this->ChildPtr = child;
}
void doSomething() {
//new shared_ptr
if (this->ChildPtr.lock()) {
}
}
~Parent() {
}
};
class Child {
private:
std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
this->ParentPtr = parent;
}
void doSomething() {
if (this->ParentPtr.use_count()) {
}
}
~Child() {
}
};
int main() {
std::weak_ptr<Parent> wpp;
std::weak_ptr<Child> wpc;
{
std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
std::shared_ptr<Child> c(new Child);
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
wpp = p;
wpc = c;
std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
}
std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 0
return 0;
}
3 参考链接
C++中的RAII机制
C++中的智能指针的原理、使用、实现