c++11 智能指针底层原理和代码模拟实现
目录
内存泄漏的危害
如何避免内存泄漏
智能指针的使用及原理
RAII
智能指针的原理
c++库中3个智能指针
auto_ptr(简单实现)
unique_ptr（简单粗暴的防止拷贝）
为什么需要智能指针--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;
}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。
智能指针的使用及原理
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。
// 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;
};
int div()
{
int a, b;
cin >> a >> b;
if (b == 0)
throw invalid_argument("除0错误");
return a / b;
}
void Func()
{
ShardPtr sp1(new int);
ShardPtr sp2(new int);
cout << div() << endl;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch(const exception& e)
{
cout< 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< 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;
} 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。
c++库中3个智能指针
auto_ptr(简单实现)
// C++98 管理权转移 auto_ptr
namespace gg
{
template
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
auto_ptr(auto_ptr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
// 管理权转移
sp._ptr = nullptr;
}
auto_ptr& operator=(auto_ptr& 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;
}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
}
// 结论：auto_ptr是一个失败设计，很多公司明确要求不能使用auto_ptr
//int main()
//{
// std::auto_ptr sp1(new int);
// std::auto_ptr sp2(sp1); // 管理权转移
//
// // sp1悬空
// *sp2 = 10;
// cout << *sp2 << endl;
// cout << *sp1 << endl;
// return 0;
//} unique_ptr（简单粗暴的防止拷贝）
// C++11库才更新智能指针实现
// C++11出来之前，boost搞除了更好用的scoped_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// C++11将boost库中智能指针精华部分吸收了过来
// C++11->unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// unique_ptr/scoped_ptr
// 原理：简单粗暴 -- 防拷贝
namespace gg
{
template
class unique_ptr
{
public:
unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
unique_ptr(const unique_ptr& sp) = delete;
unique_ptr& operator=(const unique_ptr& sp) = delete;
private:
T* _ptr;
};
}
//int main()
//{
// /*gg::unique_ptr sp1(new int);
// gg::unique_ptr sp2(sp1);*/
//
// std::unique_ptr sp1(new int);
// //std::unique_ptr sp2(sp1);
//
// return 0;
//} share_ptr
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
namespace gg
{
template
class shared_ptr
{
public:
shared_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _pRefCount(new int(1))
, _pmtx(new mutex)
{}
shared_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
, _pmtx(sp._pmtx)
{
AddRef();
}
void Release()
{
_pmtx->lock();
bool flag = false;
if (--(*_pRefCount) == 0 && _ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
delete _pRefCount;
flag = true;
}
_pmtx->unlock();
if (flag == true)
{
delete _pmtx;
}
}
void AddRef()
{
_pmtx->lock();
++(*_pRefCount);
_pmtx->unlock();
}
shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
Release();
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pmtx = sp._pmtx;
AddRef();
}
return *this;
}
int use_count()
{
return *_pRefCount;
}
~shared_ptr()
{
Release();
}
// 像指针一样使用
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get() const
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pRefCount;
mutex* _pmtx;
};
// 简化版本的weak_ptr实现
template
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
{}
weak_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
}
// shared_ptr智能指针是线程安全的吗？
// 是的，引用计数的加减是加锁保护的。但是指向资源不是线程安全的
// 指向堆上资源的线程安全问题是访问的人处理的，智能指针不管，也管不了
// 引用计数的线程安全问题，是智能指针要处理的
//int main()
//{
// gg::shared_ptr sp1(new int);
// gg::shared_ptr sp2(sp1);
// gg::shared_ptr sp3(sp1);
//
// gg::shared_ptr sp4(new int);
// gg::shared_ptr sp5(sp4);
//
// //sp1 = sp1;
// //sp1 = sp2;
//
// //sp1 = sp4;
// //sp2 = sp4;
// //sp3 = sp4;
//
// *sp1 = 2;
// *sp2 = 3;
//
// return 0;
//} share_ptr循环引用问题
struct ListNode
{
int _data;
shared_ptr _prev;
shared_ptr _next;
~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr node1(new ListNode);
shared_ptr 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;
} 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。
