c++智能指针

c++智能指针介绍

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制,程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete,比如流程太复杂,最终导致没有 delete,异常导致程序过早退出,没有执行 delete 的情况并不罕见,并造成内存泄露。如此c++引入智能指针 ,智能指针即是C++ RAII的一种应用,可用于动态资源管理,资源即对象的管理策略。 智能指针在 <memory> 标头文件的 std 命名空间中定义。 它们对 RAII 或获取资源即初始化编程惯用法至关重要。RAII 的主要原则是为所有堆分配资源提供所有权,例如动态分配内存或系统对象句柄、析构函数包含要删除或释放资源的代码的堆栈分配对象,以及任何相关清理代码。

c++智能指针类别

c++ 智能指针主要包括:unique_ptr,shared_ptr, weak_ptr, 这三种,其中auto_ptr 已被遗弃。

unique_ptr
只允许基础指针的一个所有者。 可以移到新所有者(具有移动语义),但不会复制或共享(即我们无法得到指向同一个对象的两个unique_ptr)。 替换已弃用的 auto_ptr。 相较于 boost::scoped_ptr。 unique_ptr 小巧高效;大小等同于一个指针,支持 rvalue 引用,从而可实现快速插入和对 STL 集合的检索。 头文件:<memory>。

使用unique_ptr,可以实现以下功能:

1、为动态申请的内存提供异常安全。
2、将动态申请内存的所有权传递给某个函数。
3、从某个函数返回动态申请内存的所有权。

4、在容器中保存指针。
5、所有auto_ptr应该具有的(但无法在C++ 03中实现的)功能。

如下代码所示:

[cpp]  view plain copy
  1. class A;  
  2. // 如果程序执行过程中抛出了异常,unique_ptr就会释放它所指向的对象  
  3. // 传统的new 则不行  
  4. unique_ptr<A> fun1()  
  5. {  
  6.     unique_ptr p(new A);  
  7.     //do something  
  8.     return p;  
  9. }  
  10.   
  11. void fun2()  
  12. {   //  unique_ptr具有移动语义  
  13.     unique_ptr<A> p = f();// 使用移动构造函数  
  14.     // do something  
  15. }// 在函数退出的时候,p以及它所指向的对象都被删除释放  
 shared_ptr
采用引用计数的智能指针。 shared_ptr基于“引用计数”模型实现,多个shared_ptr可指向同一个动态对象,并维护了一个共享的引用计数器,记录了引用同一对象的shared_ptr实例的数量。当最后一个指向动态对象的shared_ptr销毁时,会自动销毁其所指对象(通过delete操作符)。shared_ptr的默认能力是管理动态内存,但支持自定义的Deleter以实现个性化的资源释放动作。头文件:<memory>。

基本操作:shared_ptr的创建、拷贝、绑定对象的变更(reset)、shared_ptr的销毁(手动赋值为nullptr或离开作用域)、指定deleter等操作。

 shared_ptr的创建,有两种方式,一,使用函数make_shared(会根据传递的参数调用动态对象的构造函数);二,使用构造函数(可从原生指针、unique_ptr、另一个shared_ptr创建)

[cpp]  view plain copy
  1. shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(1);// 通过make_shared函数  
  2. shared_ptr<int> p2(new int(2));// 通过原生指针构造  
此外智能指针若为“空“,即不指向任何对象,则为false,否则为true,可作为条件判断。可以通过两种方式指定deleter,一是构造shared_ptr时,二是使用reset方法时。可以重载的operator->, operator *,以及其他辅助操作如unique()、use_count(), get()等成员方法。

 weak_ptr
结合 shared_ptr 使用的特例智能指针。 weak_ptr 提供对一个或多个 shared_ptr 实例所属对象的访问,但是,不参与引用计数。 如果您想要观察对象但不需要其保持活动状态,请使用该实例。 在某些情况下需要断开 shared_ptr 实例间的循环引用。 头文件:<memory>。

weak_ptr的用法如下:

weak_ptr用于配合shared_ptr使用,并不影响动态对象的生命周期,即其存在与否并不影响对象的引用计数器。weak_ptr并没有重载operator->和operator *操作符,因此不可直接通过weak_ptr使用对象。提供了expired()与lock()成员函数,前者用于判断weak_ptr指向的对象是否已被销毁,后者返回其所指对象的shared_ptr智能指针(对象销毁时返回”空“shared_ptr)。循环引用的场景:如二叉树中父节点与子节点的循环引用,容器与元素之间的循环引用等。

智能指针的循环引用

循环引用问题可以参考这个链接上的问题理解,“循环引用”简单来说就是:两个对象互相使用一个shared_ptr成员变量指向对方的会造成循环引用。导致引用计数失效。下面给段代码来说明循环引用:

[cpp]  view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. #include <memory>  
  3. using namespace std;  
  4.   
  5. class B;  
  6. class A  
  7. {  
  8. public:// 为了省去一些步骤这里 数据成员也声明为public  
  9.     //weak_ptr<B> pb;  
  10.     shared_ptr<B> pb;  
  11.     void doSomthing()  
  12.     {  
  13. //        if(pb.lock())  
  14. //        {  
  15. //  
  16. //        }  
  17.     }  
  18.   
  19.     ~A()  
  20.     {  
  21.         cout << "kill A\n";  
  22.     }  
  23. };  
  24.   
  25. class B  
  26. {  
  27. public:  
  28.     //weak_ptr<A> pa;  
  29.     shared_ptr<A> pa;  
  30.     ~B()  
  31.     {  
  32.         cout <<"kill B\n";  
  33.     }  
  34. };  
  35.   
  36. int main(int argc, char** argv)  
  37. {  
  38.     shared_ptr<A> sa(new A());  
  39.     shared_ptr<B> sb(new B());  
  40.     if(sa && sb)  
  41.     {  
  42.         sa->pb=sb;  
  43.         sb->pa=sa;  
  44.     }  
  45.     cout<<"sa use count:"<<sa.use_count()<<endl;  
  46.     return 0;  
  47. }  
上面的代码运行结果为:sa use count:2, 注意此时sa,sb都没有释放,产生了内存泄露问题!!!

即A内部有指向B,B内部有指向A,这样对于A,B必定是在A析构后B才析构,对于B,A必定是在B析构后才析构A,这就是循环引用问题,违反常规,导致内存泄露。

一般来讲,解除这种循环引用有下面有三种可行的方法(参考):
1. 当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。
2. 当A的生存期超过B的生存期的时候,B改为使用一个普通指针指向A。
3. 使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。
虽然这三种方法都可行,但方法1和方法2都需要程序员手动控制,麻烦且容易出错。我们一般使用第三种方法:弱引用的智能指针weak_ptr。

强引用和弱引用
一个强引用当被引用的对象活着的话,这个引用也存在(就是说,当至少有一个强引用,那么这个对象就不能被释放)。share_ptr就是强引用。相对而言,弱引用当引用的对象活着的时候不一定存在。仅仅是当它存在的时候的一个引用。弱引用并不修改该对象的引用计数,这意味这弱引用它并不对对象的内存进行管理,在功能上类似于普通指针,然而一个比较大的区别是,弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放,从而避免访问非法内存。

使用weak_ptr来打破循环引用

代码如下:

[cpp]  view plain copy
  1. #include <iostream>  
  2. #include <memory>  
  3. using namespace std;  
  4.   
  5. class B;  
  6. class A  
  7. {  
  8. public:// 为了省去一些步骤这里 数据成员也声明为public  
  9.     weak_ptr<B> pb;  
  10.     //shared_ptr<B> pb;  
  11.     void doSomthing()  
  12.     {  
  13.         shared_ptr<B> pp = pb.lock();  
  14.         if(pp)//通过lock()方法来判断它所管理的资源是否被释放  
  15.         {  
  16.             cout<<"sb use count:"<<pp.use_count()<<endl;  
  17.         }  
  18.     }  
  19.   
  20.     ~A()  
  21.     {  
  22.         cout << "kill A\n";  
  23.     }  
  24. };  
  25.   
  26. class B  
  27. {  
  28. public:  
  29.     //weak_ptr<A> pa;  
  30.     shared_ptr<A> pa;  
  31.     ~B()  
  32.     {  
  33.         cout <<"kill B\n";  
  34.     }  
  35. };  
  36.   
  37. int main(int argc, char** argv)  
  38. {  
  39.     shared_ptr<A> sa(new A());  
  40.     shared_ptr<B> sb(new B());  
  41.     if(sa && sb)  
  42.     {  
  43.         sa->pb=sb;  
  44.         sb->pa=sa;  
  45.     }  
  46.     sa->doSomthing();  
  47.     cout<<"sb use count:"<<sb.use_count()<<endl;  
  48.     return 0;  
  49. }  

需要知道的

weak_ptr除了对所管理对象的基本访问功能(通过get()函数)外,还有两个常用的功能函数:expired()用于检测所管理的对象是否已经释放;lock()用于获取所管理的对象的强引用指针。不能直接通过weak_ptr来访问资源。那么如何通过weak_ptr来间接访问资源呢?答案是:在需要访问资源的时候weak_ptr为你生成一个shared_ptr,shared_ptr能够保证在shared_ptr没有被释放之前,其所管理的资源是不会被释放的。创建shared_ptr的方法就是lock()方法。

参考

http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/hh279674.aspx

http://www.dewen.org/q/8560/%E5%85%B3%E4%BA%8E%E9%81%BF%E5%85%8D%E5%BE%AA%E7%8E%AF%E5%BC%95%E7%94%A8

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