C++智能指针
文章目录
- 前言
- 1、为什么需要智能指针？
- 2、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
- 2.3 如何避免内存泄漏
- 3、智能指针的使用及原理
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- 3.1 RAII
- 3.2 智能指针的原理
- 3.3 std::auto_ptr
- 3.4 std::unique_ptr
- 3.5 std::shared_ptr
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- 3.5.1 std::shared_ptr的线程安全问题
- 3.5.2 std::shared_ptr的循环引用
- 4、定制删除器
前言
动态内存管理经常会出现两种问题：
一种是忘记释放内存，会造成内存泄漏
另一种是尚有指针引用内存的情况下就释放了它，就会产生引用非法内存的指针
为了更加容易（更加安全）的使用动态内存，引入了智能指针的概念。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象
1、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？
void func()
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
//do other things...
}
int main()
{
func();
return 0;
}
从这段代码我们很容易看出malloc出来的空间，没有进行释放，存在内存泄漏的问题
那么就在func函数结束之前释放该空间。这么做就完美解决问题了？
如果在malloc和free之间的程序存在异常，通过C++的异常处理机制，那么还可能存在内存泄漏。我们把这种问题称为异常安全。
2、内存泄漏
在编写程序时，由于编码人员的疏忽或者考虑不完全，往往会导致内存泄漏
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，不仅自己无法使用这段内存，并且也无法再将这段内存分配给其他程序，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，宕机
void func()
{
// 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];
othreFunc1(); // 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
-
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HeapLeak。 -
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
- 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。
- 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
- 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。
- 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：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。
3、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
使用使用RAII思想设计的SmartPtr类：
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
cout << "delete->" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
//p在出作用域的前一刻会自动调用析构函数来释放资源
SmartPtr<int> p(new int);
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 T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
delete _ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
struct Person
{
string _name;
int _age;
};
int main()
{
SmartPtr<Person> p(new Person);
p->_name = "fenglei";
p->_age = 21;
cout << "名字" << (*p)._name << "年龄" << (*p)._age << endl;
return 0;
}
虽然支持了operato* 和 operator->，但还是存在问题。
如果对p进行拷贝或者对p进行赋值操作：
主要原因是对同一个资源进行了多次析构造成的
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
3.3 std::auto_ptr
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
class Person
{
public:
Person(){ cout << "Person()" << endl; }
~Person(){ cout << "~Person()" << endl; }
string _name;
int _age;
};
int main()
{
auto_ptr<Person> ap(new Person());
// auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
auto_ptr<Person> copy(ap);
ap->_name = "fl";
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：
template<class T>
class AutoPtr
{
public:
AutoPtr(T* ptr = nullptr)
: _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<T>& ap)
: _ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& 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 = nullptr;
}
return *this;
}
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
AutoPtr<Person> ap(new Person);
// 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<Person> copy(ap);
ap->_name = "fenglei";
return 0;
}
3.4 std::unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
int main()
{
unique_ptr<Person> ap(new Person);
// 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<Person> 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：
template<class T>
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<T> const &) = delete;
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> 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_prt
int main()
{
// shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝
shared_ptr<Person> sp(new Person);
shared_ptr<Person> 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
- 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1
- 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 SharePtr
{
public:
SharePtr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _pRefcount(new int(1))
,_pMutex(new mutex)
{}
T* operator->(){ return _ptr; }
T& operator*(){ return *_ptr; }
T* get(){ return *_ptr; }
int UseCount(){ return *_pRefcount; }
SharePtr(const SharePtr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pRefcount(sp._pRefcount)
, _pMutex(sp._pMutex)
{
//增加引用计数
AddRefCount();
}
SharePtr<T>& operator=(const SharePtr<T>& sp)
{
//if (this != &sp)
//这样写防止 p2(p1) p1 = p2 防止"自己赋值自己"
if (_ptr != sp._ptr)
{
//先释放之前管理的资源
Release();
_ptr = sp._ptr;
_pRefcount = sp._pRefcount;
_pMutex = sp._pMutex;
//增加引用计数
AddRefCount();
}
return *this;
}
~SharePtr()
{
Release();
}
private:
void Release()
{
bool deleteflag = false;
_pMutex->lock();
if (--(*_pRefcount) == 0)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
delete _pRefcount;
deleteflag = true;
}
_pMutex->unlock();
//表示_ptr 和 _pRefcount资源已经被释放，此时需要释放锁，否则产生资源泄漏
if (deleteflag)
delete _pMutex;
}
void AddRefCount()
{
_pMutex->lock();
++(*_pRefcount);
_pMutex->unlock();
}
T* _ptr;//指向管理资源的指针
int* _pRefcount;//引用计数
mutex* _pMutex;//互斥锁，处理线程安全
};
3.5.1 std::shared_ptr的线程安全问题
- 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
注意：智能指针是线程安全的，但是智能指针管理的资源不是线程安全的，需要自己手动控制
3.5.2 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;
}
我们发现node1和node2在生命周期结束后并没有去调用析构函数，这就是循环引用的问题
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
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;
}
weak_ptr的实现：
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;
};
}
4、定制删除器
首选，先来看这样一段代码：
class A
{
public:
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a = 0;
};
int main()
{
unique_ptr<A> a1(new A);
unique_ptr<A> a2(new A[10]);
return 0;
}
为什么会这样？
默认情况下：智能指针底层都是delete进行释放资源，这里new了10个A，但底层delete时是delete a2，而不是delete[] a2
除此之外，如果资源不是单个new出来的，而是new[]，malloc，fopen出来的，此时怎么办呢？
就需要用到定制删除器：
class A
{
public:
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
private:
int _a = 0;
};
template<class T>
struct DeleteArray
{
void operator()(const A* p)
{
cout << "delete[]" << endl;
delete[] p;
}
};
int main()
{
unique_ptr<A> a1(new A);
unique_ptr<A, DeleteArray<A>> a2(new A[10]);
return 0;
}
