C++ 智能指针使用不当导致内存泄漏问题

**K2024-07-08 13:53

shared_ptr相互嵌套导致循环引用

代码示例

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr;
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};

int main() {
    // 创建 shared_ptr 对象
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();

    // 相互引用
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;

    cout<<"use_count of a:"<<a.use_count()<<endl;
    cout<<"use_count of b:"<<b.use_count()<<endl;
    return 0;
}

解释说明

  1. 创建了两个 std::shared_ptr 对象 a 和 b。
  2. a 持有 b 的 shared_ptr，b 持有 a 的 shared_ptr。
  3. 当 main 函数结束时，a 和 b 的引用计数不会减少到零，因此它们的析构函数不会被调用。
  4. 导致内存泄漏，因为对象 A 和 B 的内存不会被释放。

解决方法

为了避免这种循环引用的问题，可以使用 std::weak_ptr。std::weak_ptr 是一种弱智能指针，它不会增加对象的引用计数。它可以用来打破循环引用，从而防止内存泄漏。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;  // 先声明类 B，使得 A 和 B 可以互相引用。

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr; // A 拥有 B 的强引用
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // B 拥有 A 的弱引用
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }

    void safeAccess() {
        // 尝试锁定 a_ptr 获取 shared_ptr
        if (auto a_shared = a_ptr.lock()) {
            // 安全访问 a_shared 对象
            std::cout << "Accessing A from B\n";
        } else {
            std::cout << "A is already destroyed, cannot access A from B\n";
        }
    }
};

int main() {
    // 创建 shared_ptr 对象
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();

    // 互相引用
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;

    // 安全访问
    b->safeAccess();
    cout<<"use_count of a:"<<a.use_count()<<endl;
    cout<<"use_count of b:"<<b.use_count()<<endl;

    return 0; // 在这里，a 和 b 的引用计数将会正确地减少到零，并且它们将会被销毁。
}

shared_ptr的层次使用没有导致循环引用

cpp 复制代码 
shared_ptr<vector<shared_ptr<pair<string, shared_ptr<string>>>>> jsFiles;

这个声明表示 jsFiles 是一个 std::shared_ptr，它指向一个 std::vector，向量中的每个元素是一个 std::shared_ptr，指向一个 std::pair 对象，而这个 std::pair 对象中包含一个 std::string 和一个 std::shared_ptr<std::string>。它们之间只是层次结构，没有跨层次的相互引用 。也就是说没有内存泄漏的问题。证明如下：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <string>

using namespace std;
// 自定义 String 类，模拟 std::string
class MyString {
public:
    std::string data;
    MyString(const std::string& str) : data(str) {
        std::cout << "MyString created: " << data << std::endl;
    }
    ~MyString() {
        std::cout << "MyString destroyed: " << data << std::endl;
    }
    // 添加输出操作符重载
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const MyString& myStr) {
        os << myStr.data;
        return os;
    }
};

// 自定义 Pair 类，模拟 std::pair
template<typename K, typename V>
class MyPair {
public:
    K first;
    V second;
    MyPair(const K& key, const V& value) : first(key), second(value) {
        std::cout << "MyPair created: {" << first << ", " << *second << "}" << std::endl;
    }
    ~MyPair() {
        std::cout << "MyPair destroyed: {" << first << ", " << *second << "}" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 创建 jsFiles，它是一个 shared_ptr，指向 vector
    auto jsFiles = std::make_shared<std::vector<std::shared_ptr<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>>>();

    // 添加元素
    auto innerPair1 = std::make_shared<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>("file1", std::make_shared<MyString>("content of file1"));
    auto innerPair2 = std::make_shared<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>("file2", std::make_shared<MyString>("content of file2"));
    
    jsFiles->push_back(innerPair1);
    jsFiles->push_back(innerPair2);

    // 访问元素
    for (const auto& pairPtr : *jsFiles) {
        std::cout << "Filename: " << pairPtr->first << ", Content: " << *pairPtr->second << std::endl;
    }

    // 离开作用域时，智能指针会自动销毁它们管理的对象
    return 0;
}

同时也证明了一个结论，构造函数和析构函数的调用顺序是相反的。

回调函数中的循环引用问题

值捕获

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory>
#include <functional>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; }

    void setCallback(std::function<void()> cb) {
        callback_ = cb;
    }

    void executeCallback() {
        if (callback_) {
            callback_();
        }
    }

private:
    std::function<void()> callback_;
};

void createNoLeak() {
    auto myObject = std::make_shared<MyClass>();

    myObject->setCallback([=]() {
        std::cout << "Callback executed, myObject use count: " << myObject.use_count() << std::endl;
    });

    myObject->executeCallback();
    
}

int main() {
    createNoLeak();
    std::cout << "End of program" << std::endl;
    return 0;
}

可以看出myObject最后没有调用析构函数，是shared_ptr循环引用了。

引用捕获

如果换为引用捕获，则不会造成 shared_ptr循环引用。虽然这种方式不会增加引用计数，但需要特别注意捕获对象的生命周期，防止在 lambda 被调用时，对象已经被销毁，从而导致未定义行为。

如何解决

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory>
#include <functional>

class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; }

    void setCallback(std::function<void()> cb) {
        callback_ = cb;
    }

    void executeCallback() {
        if (callback_) {
            callback_();
        }
    }

private:
    std::function<void()> callback_;
};

void createNoLeak() {
    auto myObject = std::make_shared<MyClass>();

    std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = myObject;

    myObject->setCallback([weakPtr]() {
        if (auto sharedPtr = weakPtr.lock()) {
            std::cout << "Callback executed, object is valid" << std::endl;
        } else {
            std::cout << "Object already destroyed" << std::endl;
        }
    });

    myObject->executeCallback();
    // 这里 myObject 是按 weak_ptr 捕获，当 createNoLeak() 结束时，myObject 的生命周期也就结束了，并且引用计数=0
}

int main() {
    createNoLeak();
    std::cout << "End of program" << std::endl;
    return 0;
}
  • weakPtr.lock() 的使用：持有 std::weak_ptr，并且需要检查或者使用其管理的对象。如果对象仍然存在（即它的 shared_ptr 引用计数大于零），我们希望获取一个 shared_ptr 来安全地使用该对象。否则，weak_ptr.lock() 返回一个空的 shared_ptr。
  • std::enable_shared_from_this 是一个非常有用的标准库模板类，用于解决一个特定的问题: 当一个类的成员函数需要创建一个指向自己(this)的 std::shared_ptr 时，这类问题如何安全地实现。

std::enable_shared_from_this

背景问题

在使用 std::shared_ptr 管理对象时，有时会遇到需要在类的成员函数中获取该对象的 shared_ptr 的情况。例如，在一个类的成员函数中，如果想要得到一个指向该对象的 shared_ptr，不能简单地使用 std::shared_ptr<MyClass>(this)，因为这会创建一个新的 shared_ptr，而不是增加现有的 shared_ptr 的引用计数。这可能导致对象被提前销毁或者多次销毁。

std::enable_shared_from_this 的作用

通过继承 std::enable_shared_from_this，类就能够安全地使用 shared_from_this 方法，从而获取一个 shared_ptr，该 shared_ptr 与其他 shared_ptr 共享所有权，而不会重复增加引用计数。

使用示例

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory>

// 定义 MyClass 继承 std::enable_shared_from_this<MyClass>
class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; }

    // 一个成员函数，它需要返回一个指向自身的 shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> getSharedPtr() {
        // 使用 shared_from_this 返回一个 shared_ptr
        return shared_from_this();
    }

    void doSomething() {
        auto ptr = shared_from_this(); // 获取 shared_ptr
        std::cout << "Doing something with MyClass instance, ref count: " << ptr.use_count() << std::endl;
    }
};

void exampleFunction() {
    // 创建 MyClass 对象的 shared_ptr
    auto myObject = std::make_shared<MyClass>();

    // 调用成员函数获取 shared_ptr
    auto mySharedPtr = myObject->getSharedPtr();

    std::cout << "Reference count after getSharedPtr: " << mySharedPtr.use_count() << std::endl;
    
    myObject->doSomething();
}

int main() {
    exampleFunction();
    return 0;
}

注意

1.创建对象 :

只有通过 std::shared_ptr 创建或管理的对象，才能安全地使用 shared_from_this。

  1. 保护避免使用 new 操作符 :

直接使用 new 操作符创建的对象不能正确使用 shared_from_this，这样做可能会导致未定义行为（例如崩溃）。

为什么 std::enable_shared_from_this 是必要的？

std::enable_shared_from_this 内部维护了一个弱引用（std::weak_ptr）指向当前对象。这个弱引用确保不会增加引用计数，同时允许 shared_from_this 方法安全地获取 std::shared_ptr，从而真正共享管理的对象，避免不安全的重复引用计数增加。

通过这样做，C++ STL 提供了一种方便而安全的方式来管理对象的生命周期，特别是在需要从对象内部生成 shared_ptr的情境下。

总结

通过继承 std::enable_shared_from_this，MyClass 能够安全地在其成员函数中创建返回指向自身的 std::shared_ptr，避免不必要的重复引用计数，从而有效地管理和共享对象生命周期。这样既提升了代码的安全性，也使得对象生命周期管理变得更加简洁和直观。

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