C++——探索智能指针的设计原理

打鱼又晒网2024-07-02 21:34

前言: RAII是资源获得即初始化， 是一种利用对象生命周期来控制程序资源地手段。 智能指针是在对象构造时获取资源， 并且在对象的声明周期内控制资源， 最后在对象析构的时候释放资源。注意， 本篇文章参考------C++ 智能指针 - 全部用法详解-CSDN博客

看完博主的文章的友友们， 可以去看一下该篇文章， 该作者写的比博主通俗易懂。

目录

为什么需要智能指针

智能指针

auto_ptr

auto_ptr的用法:

auto_ptr的模拟实现:

unique_ptr

unique_ptr的用法

unique_ptr的模拟实现

shared_ptr

shared_ptr的用法

shared_ptr的模拟实现（v1版本）

weak_ptr

weak_ptr的用法:

weak_ptr的模拟实现

shared_ptr中的定制删除器

智能指针坑点

为什么需要智能指针

首先我们来看一下这一个简单的程序:

cpp 复制代码 
void func() 
{
	int* p = new int;
}

int main() 
{
	func();

	return 0;
}

在这个程序里面， func中定义了一个指向堆区一块空间的p。 但是当出了作用域后， p指针就被销毁了， 但是p指针指向的空间没有被销毁，这个时候就发生了内存泄漏。

另外一种情况就是我们虽然手动释放了内存， 但是中途发生了异常， 程序发生跳转， 手动释放内存被截胡了。 也会导致发生内存泄漏。

cpp 复制代码 
void test() 
{
	int* ptr = new int;

	if (1) 
	{
		throw "发生异常";     //这里发生截胡， 无法走到下一行。
	}

	delete ptr;          //这里没有释放资源
}


int main() 
{
	try 
	{
		test();
	}
	catch (const char* str)
	{
		cout << str << endl;
	}
	catch (...) 
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

而只能指针就是为了这种情况设计出来的。也就是说， 智能指针就是为了我们能够方便管理动态内存分配的资源， 它能够在对象的声明周期结束时自动释放这些资源。

如图为一个简单的智能指针

在这个智能指针当中， 当我们创建对象时，可以使用一块资源初始化。 然后这块资源就会在这个对象的生命周期结束时自动销毁。

这就是智能指针的基本原理， 虽然我们使用指针时， 指针指向的空间不会被自动释放。但是对象在生命周期结束时会自动释放， 所以我们把指针指向的资源放到对象里， 让对象在释放自身的时候将资源一起释放掉。

智能指针

现在有三个智能指针的解决方案：

  • auto_ptr C++98
  • unique_ptr C++11
  • share_ptr C++11

另外， 还有一个用来解除share_ptr中的循环引用问题的解决方案。

  • wake_ptr C++11

auto_ptr

auto_ptr的用法:

使用智能指针需要包含头文件memory, 具体使用方法如下:

cpp 复制代码 
#include<memory>             //只用智能指针需要包含memory头文件

int main() 
{
	auto_ptr<int> p(new int);                  //利用auto_ptr创建一个管理int指针资源的对象
	auto_ptr<list<int>> pl(new list<int>);     //利用auto_ptr创建一个管理list<int>类型的指针资源的对象

	*p = 4;                    //auto_ptr<int>类型也能进行解引用操作
	(*pl).push_back(16);       //容器的指针， 解引用后就是容器本身。
	(*pl).push_back(15);
	(*pl).push_back(14);
	(*pl).push_back(13);
	(*pl).push_back(12);
	
	cout << *p << endl;                   //打印*p
	auto it = (*pl).begin();              //pl解引用获得list<int>对象， 可以像使用指针
	while (it != (*pl).end()) 
	{
		cout << *it << endl;
		++it;
	}

	return 0;
}

这里创建智能指针对象是: auto_ptr<类型名> p(new 类型名) ， 这里创建的时候不能使用 ' = '， 只能使用 ' ( ) ';

auto_ptr是在C++98创建出来的， 但是这个智能指针在之后很少被人用。 因为它有一个弊端， 就是当进行拷贝的时候， 该智能指针管理的资源会被 "抛弃"， 另一个智能指针进行接收。 也就是如图:

这个模式存在一些弊端。如果我们使用一个容器进行插入操作的时候，插入操作一定会赋值。 那么赋值就会导致原本智能指针对象中的资源被转移。

另外， auto_ptr的另一个弊端就是auto_ptr不支持对象数组的操作。所以在C++11出现更好的unique_ptr和share_ptr后，auto_ptr已经很少被使用。

auto_ptr有三个常用接口。 get, release, reset。

三个函数的主要功能

  1. get（）

get是获取对象中管理的资源：

2.release

release， 是取消对象中管理的资源：

3.reset

reset， 是重新分配对象中管理的资源：

auto_ptr的模拟实现:

//首先， 对于智能指针来说，他们的模板类名是这样的：

cpp 复制代码 
	template<class T>       //模板类， 可以接收T类型的资源
	class auto_ptr          //智能指针类名
	{
        
	};

//然后， 在类里面定义资源类型的指针， 用来维护这块资源:

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	private:
		T* _ptr;          //T类型资源的指针， 用来维护一块资源
	};

//所有智能指针的构造都是一样的， 就是使用一块资源交给智能指针里面的指针变量进行维护。

cpp 复制代码 
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}

//auto_ptr的拷贝构造， 其实就是把一个智能指针管理的资源 "抛弃"，然后另一个智能指针进行接收。 至于这样做的弊端， 上面已经提到过， 这里不赘述。

cpp 复制代码 
		auto_ptr(auto_ptr<T>& ptr)
			:_ptr(ptr._ptr) 
		{
			ptr._ptr = nullptr;
		}

//最重要的就是智能指针的销毁， 销毁时， 要将管理的资源一块释放掉， 代码如下:

cpp 复制代码 
		~auto_ptr() 
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}

//然后智能指针还要像普通指针一样能够进行基本运算------加加， 减减， 解引用等。那么就要重载这些运算符， 如下图:

cpp 复制代码 
		T& operator*()           //解引用
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator->()          //箭头
		{
			return _ptr;
		}

		auto_ptr<T> operator++() //加加重载
		{
			++_ptr;
			return *this;
		}

unique_ptr

unique_ptr的用法

unique_ptr相交于auto_ptr更加严谨， 它相对于auto_ptr做了一下改变:

两块指针不能指向同一块资源(否则在释放空间时多次释放空间报错)。 同时它也不能赋值（注意， 右值可以赋值，但是右值赋值后， 如果该右值为一个左值临时转化的， 那么使用赋值后和auto_ptr的效果一样）

左值赋值：

右值赋值：

要注意的坑点就是不能一块资源给多个对象赋值， 不然会报错:

auto_ptr也一样

这是unique_ptr和auto_ptr中使用的坑。 后面的share_ptr解决了这个坑点（引用计数）

unique_ptr的模拟实现

有前面auto_ptr的基础， 这里unique_ptr的细节不再讲解， 只讲解重要的部分:

//首先模板类：

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class unique_ptr 
	{

	private:
		T* _ptr;      //管理资源
	};

//然后就是主要的地方 ， unique_ptr不能进行赋值， 所以要将拷贝构造和赋值重载封起来。

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class unique_ptr 
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr) 
		{}
	
	private:
		unique_ptr(unique_ptr<T>& ) = delete;                    //将拷贝构造删掉
		unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>& ) = delete;      //将赋值重载删掉

	private:
		T* _ptr;
	};

shared_ptr

shared_ptr的用法

shared_ptr解决了unique_ptr和auto_ptr的排他性， shared_ptr即使多个智能指针指向同一块空间也能正常工作。

shared_ptr采用了引用计数， 当一个新的share_ptr指针管理一块资源的时候， 引用计数就+1, 当一个shared_ptr指针过期时， 引用计数就-1。当一块资源的引用计数到0时， 这块资源就可以被释放。

  1. use_count() : 获得当前资源的引用计数：

2.conductor: 有多种构造形式------直接赋值一块资源、 赋值一块数组资源、传送定制删除器。

定义如下:

//带有定制删除器

cpp 复制代码 
template<class U, class D>

shared_ptr(U* p, D del)

//普通构造

cpp 复制代码 
template<class U>

shared_ptr(U* p)

//数组构造

cpp 复制代码 
shared_ptr<T[]> p(new T[5]{1, 2, 3, 4, 5});      //据说是C++17后支持, 但是vsC++14也能跑

3.make_shared

make_shared可以用来分配一块空间并且初始化这块空间， 效率更加高效。make_shared是一个函数模板， 并且需要指定分配资源的类型， 如图:

shared_ptr的模拟实现（v1版本）

首先，类名， 解引用之类和其他智能指针相差不大， 这里不做赘述， 然后有区别的就是成员变量以及构造， 拷贝， 赋值。

首先看成员变量， 成员变量需要有一块空间来作为引用计数。

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class shared_ptr 
	{

	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
	};

*_pcount作为引用计数。

//构造

cpp 复制代码 
		//引用计数ptr
		shared_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr) 
		{
			*_pcount = 1;
		}

//拷贝构造

cpp 复制代码 
		//引用计数地拷贝构造
		shared_ptr(shared_ptr<T>& ptr) 
			:_ptr(ptr._ptr)
			,_pcount(ptr._pcount)
		{
			++(*_pcount);
		}

//析构

cpp 复制代码 
		~shared_ptr() 
		{
			if (--(*_pcount) == 0) 
			{
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
		}

赋值， 这里赋值要先将原本的管理的资源取消托管， 那么引用计数就要减一， 还要判断引用计数是否为0， 为0就要释放资源。

cpp 复制代码 
		shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& p) 
		{
			if (_ptr != p._ptr)          //如果不判断， 当自己给自己赋值的时候， 自己会先将自己的资源释放， 然后就变成了野指针。 自己再给自己赋值一个野指针。 就会报错。
			{
				if (--(*_pcount) == 0)
				{
					delete _ptr;
					delete _pcount;
				}
				//
				_ptr = p._ptr;
				_pcount = p._pcount;
				++(*_pcount);
			}

			return *this;
		}

shared_ptr中的坑

  1. 其实， shared_ptr还有一种情况同样具有排他性, 和unique_ptr、auto_ptr一样， 当没有调用拷贝构造， 而是直接使用构造函数的时候， 引用计数不回加一， 那么就会多次释放资源。 这个无法避免。

2.第二个坑就是循环引用的问题，为了方便观察， 我们使用我们自己定义的shared_ptr进行测试， 现在看如下一个例子:

cpp 复制代码 
#include"share_ptr.h"      //自己写的shared_ptr头文件
struct chicken;            //前置声明

struct fish                //定义一个鱼类对象， 里面有一个鸡的智能指针实例
{
	cws_RAII::shared_ptr<chicken> _chicken;
};

struct chicken              //定义一个鸡类对象， 里面有一个鱼的智能指针实例。
{
	cws_RAII::shared_ptr<fish> _fish;                           
};



int main()
{
	cws_RAII::shared_ptr<fish> f1(new fish);
	cws_RAII::shared_ptr<chicken> c1(new chicken);

	(*f1)._chicken = c1;
	//(*c1)._fish = f1;

	return 0;
}

在当前状态下， 我们如果运行程序， f1的资源和c1的资源可以被释放

但是如过图中(*c1)._fish = f1取消注释， 那么f1的资源和c1的资源就不能被释放。

这是为什么？

其实， 这就是循环引用的问题。 在这里面， 如果只定义了f1和c1. 这个时候是这样的:

但是如果给执行两条赋值语句后， 就变成了这样:

这个时候当f1和c1的生命周期结束时， f1的_pcount--， c1的_pcount--。 这两个_pcount都只能变成1， 变不成0， 所以不能释放资源。

所以， 我们在使用shared_ptr时， 要避免交叉赋值的情况。否则会出现内存泄漏。

weak_ptr

weak_ptr是用来解决shared_ptr的循环引用问题。 当两个类需要交叉进行赋值的时候， 类中所定义的智能指针可以使用weak_ptr(原本使用shared_ptr), 因为weak_ptr不会增加资源的引用计数。

weak_ptr的用法:

weak_ptr本人觉得最重要的一点就是可以和shared_ptr进行相互转化：

cpp 复制代码 
int main()
{
	shared_ptr<fish> f2(new fish);

	weak_ptr<fish> f3(f2);     //将一个shared_ptr给给f3
	f3 = f2;                   //将shared_ptr赋值给weak_ptr
	f2 = f3.lock();            //将一个weak_ptr使用lock接口转化为shared_ptr;                   
	return 0;
}

同时， 还可以构造出一个空指针:

cpp 复制代码 
int main()
{
	weak_ptr<fish> f3;     //构造一个空指针
                 
	return 0;
}

但是， wear_ptr不支持解引用以及->

weak_ptr也能使用use_count函数查看引用计数:

weak_ptr的模拟实现

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class weak_ptr 
	{
	public:
		//不支持RAII， 也就是不能初始化管理资源
		weak_ptr(const shared_ptr<T>& ptr) 
		{
			_ptr = ptr._ptr;		//这里可以将weak_ptr弄成shared_ptr的友元， 就能访问私有_ptr
			_pcount = ptr._pcount;
		}
		
		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& ptr) 
		{
			_ptr = ptr._ptr;
			_pcount = ptr._pcount;
			return *this;
		}

		int use_count() 
		{
			return (*_pcount);
		}

		T* get() 
		{
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
	};

shared_ptr中的定制删除器

在shared_ptr中， 可以管理一块连续的数组空间， 也可以管理一个单独的一块空间。 这两种资源类型需要不同的销毁方法。 单独的使用delete, 而数组空间需要使用delete[], 库里面的默认是使用delete, 但是如果我们想使用delete[]来销毁一块数组空间。 或者我们使用shared_ptr管理一块文件， shared_ptr生命周期结束时关闭文件。 那么就需要我们自己传一个定制删除器。

定制删除器是放在如图所示红框框的代码块中:

定制删除器的用法:

如何实现定制删除器？

其实定制删除器就是添加一个模板类， 如图:

下面是shared_ptr完整的版本（v2）

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class shared_ptr 
	{
	public:
		//引用计数ptr
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr) 
			,_pcount(new int(0))
		{
			if (_ptr != nullptr) 
			{
				*_pcount = 1;
			}
		}

		//引用计数地拷贝构造
		shared_ptr(shared_ptr<T>& ptr) 
			:_ptr(ptr._ptr)
			,_pcount(ptr._pcount)
		{
			++(*_pcount);
		}

		//添加一个带有定制删除器的构造函数
		template<class D>     //D就是定制删除器的模板类
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			:_Del(del)
			, _ptr(ptr) 
		{}

		void destroy() 
		{
			if (--(*_pcount) == 0) 
			{
				_Del;      //将定制删除器放在这就好了
			}
		}

		~shared_ptr() 
		{
			destroy();
		}
		
		//赋值
		shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& p) 
		{
			if (_ptr != p._ptr) 
			{
				destroy();
				//
				_ptr = p._ptr;
				_pcount = p._pcount;
				++(*_pcount);
			}

			return *this;
		}
		
		T* operator->() 
		{
			return _ptr;
		}

		T& operator*() 
		{
			return *_ptr;
		}

		T* _ptr;
		int* _pcount;
		function<void(T*)> _Del = [](T*) {delete _Del};
	};

智能指针坑点

在看完大佬们的博客之后， 本人也总结了一些智能指针的 "坑点"， 这个坑点其实都是围绕 原生指针 展开的。

第一个：原生指针不能用来初始化智能指针， 否则两个智能指针指向同一块资源， 引用计数不增加。智能指针过期时会报错

第二个：get获得的原生指针， 不能delete掉， 否则智能指针在过期后还会delete。会报错

第三个：get获得的原生指针，也是原生指针， 不能初始化另一个智能指针。

第四个：release返回后的原生指针要被delete掉。 否则内存泄漏。

----以上， 就是本篇全部内容。

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