【C++】智能指针

智能指针

1、 概念

堆内存的对象需要手动delete销毁，如果忘记使用delete销毁就会造成内存泄漏。

所以在C++ ISO 98标准中引入了智能指针的概念，并且在ISO11中趋于完善。

使用智能指针可以让堆内存对象具有栈内存对象的特性。原理时给需要自动回收的堆内存对象套上一个栈内存对象的模板。

C++有四种智能指针：

● auto_ptr 自动指针（C++ ISO 98 已废弃）

● unique_ptr 唯一指针（C++ ISO 11）

● shared_ptr 共享指针（C++ ISO 11）

● weak_ptr 协助指针（C++ ISO 11）

智能指针头文件，#include

2、 auto_ptr

#include 
#include 

using namespace std;

class Test
{
private:
    string s;
public:
    Test(string s):s(s)
    {
        cout << s << "构造函数" << endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout << s << "析构函数" << endl;
    }

    void show()
    {
        cout << s << "执行程序" << endl;
    }

};


int main()
{
    {
        Test *t1 = new Test("A");
        // 创建一个栈内存智能指针对象ap1
        auto_ptr ap1(t1); // ap1 管理t1

        // 取出被管理的堆内存对象，并调用show成员函数
        ap1.get()->show();
        // 释放ap1智能指针对t1对象的控制权
//        ap1.release();
        // 创建B堆对象，B把A顶掉，A对象销毁
        ap1.reset(new Test("B"));
        ap1.get()->show();

        ap1.reset();
        
        cout << "局部代码块执行结束" << endl;
    }
    cout << "程序运行结束" << endl;

    return 0;
}

由于成员变量存在指针类型，因此拷贝构造函数与赋值运算符的使用会出现问题。与浅拷贝不同的是，auto_ptr的复制语义会引起资源对象控制权转移的问题。

#include 
#include 

using namespace std;

class Test
{
private:
    string s;
public:
    Test(string s):s(s)
    {
        cout << s << "构造函数" << endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout << s << "析构函数" << endl;
    }

    void show()
    {
        cout << s << "执行程序" << endl;
    }
};


int main()
{
    {
         auto_ptr ap1(new Test("A"));
         auto_ptr ap2(ap1); // 显示调用构造函数
         cout << ap1.get() << " " << ap2.get() << endl; // 0 0xf427b8

         auto_ptr ap3 = ap2; // 隐式调用构造函数
         cout << ap1.get() << " " << ap2.get() << " "<< ap3.get() << endl; // 0 0 0x10927b8


         auto_ptr ap4;
         ap4 = ap3; // 赋值运算符
        cout << ap1.get() << " " << ap2.get() <<
                " "<< ap3.get() << " " << ap4.get() << endl; // 0 0 0 0x10527b8

    }
    cout << "程序运行结束" << endl;

    return 0;
}

3、unique_ptr

作为auto_ptr的改进，unique_ptr堆其他持有的资源对象具有唯一的控制权，即不可以通过常规的复制语法转移或者拷贝资源对象的控制权。

#include 
#include 

using namespace std;

class Test
{
private:
    string s;
public:
    Test(string s):s(s)
    {
        cout << s << "构造函数" << endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout << s << "析构函数" << endl;
    }

    void show()
    {
        cout << s << "执行程序" << endl;
    }

};


int main()
{
    {
         unique_ptr ap1(new Test("A"));
         unique_ptr ap2(move(ap1)); // 显示调用构造函数
         cout << ap1.get() << " " << ap2.get() << endl; // 0 0xf427b8

         unique_ptr ap3 = move(ap2); // 隐式调用构造函数
         cout << ap1.get() << " " << ap2.get() << " "<< ap3.get() << endl; // 0 0 0x10927b8


         unique_ptr ap4;
         ap4 = move(ap3); // 赋值运算符
        cout << ap1.get() << " " << ap2.get() <<
                " "<< ap3.get() << " " << ap4.get() << endl; // 0 0 0 0x10527b8

    }
    cout << "程序运行结束" << endl;

    return 0;
}

4、shared_ptr

unique_ptr对资源具有独占性，多个shared_ptr对象可以共享资源。

shared_ptr有两种创建方式。

两种创建方式的区别在于后者是一部实现（创建资源对象+关系绑定）。前者分为（先创建资源对象，再关系绑定）。

后者优点：

● 安全性更好

● 性能更高

后者缺点：

● 释放资源的效率低。

每次多一个shared_ptr对资源进行管理，引用计数+1，每个指向该对象的shared_ptr对象销毁时，引用计数-1.最后一个shared_ptr对象销毁时，计数清零，资源对象销毁。

#include 
#include 

using namespace std;

class Test
{
private:
    string s;
public:
    Test(string s):s(s)
    {
        cout << s << "构造函数" << endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout << s << "析构函数" << endl;
    }

    void show()
    {
        cout << s << "执行程序" << endl;
    }

};


int main()
{

    shared_ptr sp3;
    {
        shared_ptr sp1(new Test("A"));
        cout << "引用计数：" << sp1.use_count() << endl; // 1

        shared_ptr sp2(sp1); // 拷贝构造函数
        cout << "引用计数：" << sp2.use_count() << endl; // 2

        sp3 = sp2;
        cout << "引用计数：" << sp2.use_count() << endl; // 3
    }
    cout << "引用计数：" << sp3.use_count() << endl; // 1
    sp3.get()->show();

    cout << "程序运行结束" << endl;

    return 0;
}

5、weak_ptr

weak_ptr是一个不控制资源对象的智能指针，也不会影响资源的引用计数。其主要目的是协助shared_ptr工作。

通过weak_ptr的构造函数,参数传入一个持有资源对象的shared_ptr对象或weak_ptr对象,即可创建.

weak_ptr与资源对象呈弱相关性,因此不支持get等函数直接操作资源对象.

建议weak_ptr调用lock函数之前,先检测引用计数是否大于0,或使用expired()函数检测是否可转换为shared_ptr.

#include 
#include 

using namespace std;

class Test
{
private:
    string s;
public:
    Test(string s):s(s)
    {
        cout << s << "构造函数" << endl;
    }
    ~Test()
    {
        cout << s << "析构函数" << endl;
    }

    void show()
    {
        cout << s << "执行程序" << endl;
    }

};


int main()
{
    weak_ptr wp3;
    {
        shared_ptr sp1(new Test("A"));
        weak_ptr wp1 = sp1;
        cout << sp1.use_count() << endl;
        cout << wp1.use_count() << endl;

        weak_ptr wp2(wp1); // 拷贝构造
        cout << wp2.use_count() << endl;

        // 从weak_ptr中得到一个只有资源的shared_ptr对象
        shared_ptr sp2 = wp1.lock();
        cout << sp2.use_count() << endl;

        shared_ptr sp3 = wp1.lock();
        cout << sp3.use_count() << endl;


        wp3 = wp1;
        cout << wp3.use_count() << endl;
        if(wp3.expired())
        {
            cout << "无法使用lock函数" << endl;
        }
        else
        {
            cout << "可以使用lock函数" << endl;
        }
    }
    cout << wp3.use_count() << endl; // 0
    if(wp3.expired())
    {
        cout << "无法使用lock函数" << endl;
    }

    cout << "程序运行结束" << endl;

    return 0;
}