C++11---智能指针
智能指针
- 1. 为什么引入智能指针？
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- 1.1 内存泄漏
- 2.智能指针的使用及原理
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- 2.1 RAII
- 2.2 智能指针的原理
- 3. C++98- - -auto_ptr
- 4. unique_ptr
- 5. shared_ptr
-
- 5.1 循环引用
- 6. weak_ptr
1. 为什么引入智能指针？
void Func()
{
vector<int*> v;
int* p = new int;
v.push_back(p); //因为push_back的时候有可能需要申请空间，但是万一申请内存失败了怎么办
v.at(1); //会抛异常对象，但是当走到抛异常的位置的时候，后面的这句delete p可能就没有办法释放了
delete p;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl; //打印出来为什么发生？
}
return 0;
}
一旦底层调用malloc申请空间，就有可能会有失败，一旦失败了就会抛异常，那么抛异常就会直接跳到mian函数的catch哪里，那么上面的delete p的操作还没有完成，是会导致内存泄漏的。
void Func()
{
vector<int*> v;
int* p = new int;
try
{
v.push_back(p); //因为push_back的时候有可能需要申请空间，但是万一申请内存失败了怎么办
v.at(1); //会抛异常对象，但是当走到抛异常的位置的时候，后面的这句delete p可能就没有办法释放了
}
catch (...) //...三个点表示捕获任意类型的异常
{
delete p;
throw; //再次跑出捕获的对象
}
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl; //打印出来为什么发生？
}
return 0;
}
所以在没有智能指针的情况下，就只能够采用先把异常捕捉到，在抛异常这样丑陋且麻烦的方式来确保内存不泄露的情况。
1.1 内存泄漏
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。
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。
2.智能指针的使用及原理
2.1 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。
2.2 智能指针的原理
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。
3. C++98- - -auto_ptr
C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* p)
:_ptr(p)
{}
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
: _ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
}
}
private:
T* _ptr;
};
void test_auto_ptr()
{
auto_ptr<int> ap1(new int);
auto_ptr<int> ap2(ap1);
auto_ptr<int> ap3(ap2);
}
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想,拷贝时会导致原对象悬空
所以非常不建议使用，是一个很差的设计。
4. unique_ptr
剩下的三种unique_ptr,shared_ptr,weak_ptr都是C++11标准库中的。
unique_ptr就是：简单粗暴，防拷贝
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
unique_ptr(T* p)
:_ptr(p)
{}
//C++98里面直接把拷贝构造定义为私有且只声明不定义
//C++11就是直接调用delete不让你生成
unique_ptr(const unique_ptr<T>& ap) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& ap) = delete;
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
}
}
private:
T* _ptr;
};
//如果非要写一个只能指针写unique_ptr是最简单的,一定要抓住智能指针的两大特性
void test_unique_ptr()
{
unique_ptr<int> up1(new int(1));
cout << *up1 << endl;
*up1 = 10;
cout << *up1 << endl;
//unique_ptr up2(up1); //这也就做到了防拷贝
}
5. shared_ptr
但也总不能不拷贝呀，所以unique_ptr也不会一个好的方式呀，所以引入了shared_ptr
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
shared_ptr(T* p)
:_ptr(p)
, _pCount(new int(1))
, _pMtx(new mutex)
{}
//做到代码的复用
void Release()
{
bool dFlag = false;
_pMtx->lock();
//对于在堆上所开辟的锁资源也应该进行释放
//unique_lock lock(*_pMtx);
if (--(*_pCount) == 0)
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
}
delete _pCount;
dFlag = true;
}
_pMtx->unlock();
if (dFlag)
{
delete _pMtx;
}
}
void AddUseCount()
{
unique_lock<mutex> lock(*_pMtx);
++(*_pCount);
}
~shared_ptr()
{
this->Release();
}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pCount(sp._pCount)
, _pMtx(sp._pMtx)
{
//++(*_pCount);
AddUseCount();
}
//sp1 = sp3
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
//这前三行代码就是直接将sp1所指向的空间进行修改，但是这样做是有问题的，因为会造成内存的泄漏，因为sp2哪里的_pCount还是2
//他永远也不会减到0了，也就对这块空间没办法进行释放了
//_ptr = sp._ptr;
//_pCount = sp._pCount;
//++(*_pCount);
if (_ptr != sp._ptr)
{
//所以要先对我们sp1原先所指向的空间的计数统计减1
this->Release();
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
_pMtx = sp._pMtx;
//++(*_pCount);
AddUseCount();
}
return *this;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
//对于智能指针不要去做狗拿耗子的事情，他最重要的就是1.帮别人去释放资源2.保证好自己引用计数的线程安全问题
int use_count()
{
return *_pCount;
}
private:
T* _ptr;
//引用计数，因为定义的对象里面的_ptr都指向同一块空间，但是只有当最后一个指向的对象才去进行释放空间
//使用static成员变量不仅仅属于这个类，还属于这个类的所有对象，这种方式是不对的
int* _pCount;//让第一个开辟一个计数空间，然后让后面所有指向这块空间的也都指向这个技术空间，最后一个将这两块空间都进行释放
mutex* _pMtx;
};
struct Date{
int _year = 1;
int _month = 1;
int _day = 1;
};
void SharePtrFunc(shared_ptr<Date>& sp, size_t n)
{
//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。
//要保证引用计数的线程安全
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
copy->_year++;
copy->_month++;
copy->_day++;
}
}
int test_shared_ptr_safe()
{
shared_ptr<Date> p(new Date);
//cout << p.get() << endl;
cout << p.use_count() << endl; //一进来new的那个Date，所以这里应该为1
const size_t n = 10000;
thread t1(SharePtrFunc, p, n);
thread t2(SharePtrFunc, p, n);
t1.join();
t2.join();
cout << p->_year << endl;
cout << p->_month << endl;
cout << p->_day << endl;
//两个线程分别对年月日都进行了++100次的操作
cout << p.use_count() << endl;//最终结尾还有还有一个p指针指向Date所以也应该为1
return 0;
}
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。例如：
- 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。
线程安全问题
- 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（但是引用计数是在堆上开辟的资源，所以为了能够确保使用同一把锁，锁资源也应该在堆上进行开辟）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。
5.1 循环引用
struct ListNode
{
int _data;
shared_ptr<ListNode> _prev;
shared_ptr<ListNode> _next;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int test_cycle_ref()
{
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;
}
对于上述这段代码程序是崩溃的。
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
- 解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
- 原理就是：node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。
6. weak_ptr
跟其他智能指针有本质区别：不支持RAII,不释放资源；专门为解决shared_ptr循环引用而存在，不增加引用计数。
那么shared_ptr那么好，是不是只要使用了就不在出现内存泄漏的问题了呢？
答案是：不，因为使用shared_ptr有可能会导致一种循环引用的问题出现。而weak_ptr就是专门为了解决shared_ptr中的循环引用问题的。
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
{}
//保留shared_ptr的指针
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr& operator=(shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr
}
private:
T* _ptr;
};
struct ListNode
{
int val;
//ListNode* next;
//ListNode* prev;
//shared_ptr next;
//shared_ptr prev;
weak_ptr<ListNode> next;
weak_ptr<ListNode> prev;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
void test_cycle_ref()
{
//ListNode* p = new ListNode;
//delete p;
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;
}
RAII扩展学习：
- RAII除了可以用来设计智能指针，还可以用来设计手猥琐，防止异常安全导致的死锁问题。比如lock_guard,unique_lock，而unique_lock和lock_guard的区别就在于他还给提供了一批能够手动释放锁的接口。