详解—C++[智能指针]
目录
一、为什么需要智能指针？
二. 内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
2.2 内存泄漏分类
1.堆内存泄漏(Heap leak)
2.系统资源泄漏
2.3如何避免内存泄漏
三.智能指针的使用及原理
3.1 RAII
3.2 智能指针的原理
3.3 std::auto_ptr
3.4 std::unique_ptr
一、为什么需要智能指针？
下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么内存方面的问题？
#include
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{
if (left >= right) return;
int mid = left + ((right - left) >> 1);
// [left, mid]
// [mid+1, right]
_MergeSort(a, left, mid, tmp);
_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);
int begin1 = left, end1 = mid;
int begin2 = mid + 1, end2 = right;
int index = left;
while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)
{
if (a[begin1] < a[begin2])
tmp[index++] = a[begin1++];
else
tmp[index++] = a[begin2++];
}
while (begin1 <= end1)
tmp[index++] = a[begin1++];
while (begin2 <= end2)
tmp[index++] = a[begin2++];
memcpy(a + left, tmp + left, sizeof(int) * (right - left + 1));
}
void MergeSort(int* a, int n)
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
// 这里假设处理了一些其他逻辑
vector v(1000000000, 10);
// ...
// free(tmp);
}
int main()
{
int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
MergeSort(a, 5);
return 0;
} 问题分析：上面的问题分析出来我们发现有以下两个问题？
1. malloc出来的空间，没有进行释放，存在内存泄漏的问题。
2. 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常，那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安全。
二. 内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
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;
}2.2 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：
1.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。
2.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。
2.3如何避免内存泄漏
1. 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。
2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
3. 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。
4. 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。
三.智能指针的使用及原理
3.1 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：
1.不需要显式地释放资源。
2.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 SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
void MergeSort(int* a, int n)
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
// 讲tmp指针委托给了sp对象，用时老师的话说给tmp指针找了一个可怕的女朋友！天天管着你，直到你go die^^
SmartPtr sp(tmp);
// _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
// 这里假设处理了一些其他逻辑
vector v(1000000000, 10);
// ...
}
int main()
{
try {
int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
MergeSort(a, 5);
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
} 3.2 智能指针的原理
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。
template
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 sp1(new int);
*sp1 = 10
cout << *sp1 << endl;
SmartPtr 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;
} 3.3 std::auto_ptr
auto_ptr - C++ Reference (cplusplus.com)
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。
// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include
class Date
{
public:
Date() { cout << "Date()" << endl; }
~Date() { cout << "~Date()" << endl; }
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
auto_ptr ap(new Date);
auto_ptr copy(ap);
// auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
// C++98中设计的auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr
ap->_year = 2018;
return 0;
} 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AutoPtr来了解它的原理
// 模拟实现一份简答的AutoPtr,了解原理
template
class AutoPtr
{
public:
AutoPtr(T* ptr = NULL)
: _ptr(ptr)
{}
~AutoPtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
// 一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另ap与其所管理资源断开联系，
// 这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题
AutoPtr(AutoPtr& ap)
: _ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = NULL;
}
AutoPtr& operator=(AutoPtr& ap)
{
// 检测是否为自己给自己赋值
if (this != &ap)
{
// 释放当前对象中资源
if (_ptr)
delete _ptr;
// 转移ap中资源到当前对象中
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
AutoPtr ap(new Date);
// 现在再从实现原理层来分析会发现，这里拷贝后把ap对象的指针赋空了，导致ap对象悬空
// 通过ap对象访问资源时就会出现问题。
AutoPtr copy(ap);
ap->_year = 2018;
return 0;
} 3.4 std::unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
unique_ptr - C++ Reference (cplusplus.com)
int main()
{
unique_ptr up(new Date);
// unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。
unique_ptr copy(ap);
return 0;
} 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
// 模拟实现一份简答的UniquePtr,了解原理
template
class UniquePtr
{
public:
UniquePtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~UniquePtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
private:
// C++98防拷贝的方式：只声明不实现+声明成私有
UniquePtr(UniquePtr const&);
UniquePtr& operator=(UniquePtr const&);
// C++11防拷贝的方式：delete
UniquePtr(UniquePtr const&) = delete;
UniquePtr& operator=(UniquePtr const&) = delete;
private:
T* _ptr;
}; 3.5 std::shared_ptr
C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
shared_ptr - C++ Reference (cplusplus.com)
int main()
{
// shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝
shared_ptr sp(new Date);
shared_ptr copy(sp);
cout << "ref count:" << sp.use_count() << endl;
cout << "ref count:" << copy.use_count() << endl;
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：比特老师晚上在下班之前都会通知，让最后走的学生记得把门锁下。
1. 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。
2. 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。
3. 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；
4. 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。
// 模拟实现一份简答的SharedPtr,了解原理
#include
#include
template
class SharedPtr
{
public:
SharedPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pRefCount(new int(1))
, _pMutex(new mutex)
{}
~SharedPtr() { Release(); }
SharedPtr(const SharedPtr& sp)
: _ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
, _pMutex(sp._pMutex)
{
AddRefCount();
}
// sp1 = sp2
SharedPtr& operator=(const SharedPtr& sp)
{
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
// 释放管理的旧资源
Release();
// 共享管理新对象的资源，并增加引用计数
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pMutex = sp._pMutex;
AddRefCount();
}
return *this;
}
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
int UseCount() { return *_pRefCount; }
T* Get() { return _ptr; }
void AddRefCount()
{
// 加锁或者使用加1的原子操作
_pMutex->lock();
++(*_pRefCount);
_pMutex->unlock();
}
private:
void Release()
{
bool deleteflag = false;
// 引用计数减1，如果减到0，则释放资源
_pMutex.lock();
if (--(*_pRefCount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pRefCount;
deleteflag = true;
}
_pMutex.unlock();
if (deleteflag == true)
delete _pMutex;
}
private:
int* _pRefCount; // 引用计数
T* _ptr; // 指向管理资源的指针
mutex* _pMutex; // 互斥锁
};
int main()
{
SharedPtr sp1(new int(10));
SharedPtr sp2(sp1);
*sp2 = 20;
cout << sp1.UseCount() << endl;
cout << sp2.UseCount() << endl;
SharedPtr sp3(new int(10));
sp2 = sp3;
cout << sp1.UseCount() << endl;
cout << sp2.UseCount() << endl;
cout << sp3.UseCount() << endl;
sp1 = sp3;
cout << sp1.UseCount() << endl;
cout << sp2.UseCount() << endl;
cout << sp3.UseCount() << endl;
return 0;
}