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【C++】智能指针的使用和原理

article 2024/12/4 9:40:52

河流之所以能够到达目的地，是因为它懂得怎样避开障碍💓💓💓

目录

  •✨说在前面

🍋知识点一：智能指针的使用和原理

•🌰1. 智能指针的使用场景

•🌰2. RAII和智能指针的设计思路

•🌰3. C++标准库智能指针的使用

•🌰4. 智能指针的原理 

🍋知识点二：shared_ptr和weak_ptr

•🌰1. shared_ptr的循环引用问题

•🌰2. weak_ptr

•🌰3. shared_ptr的线程安全问题

•🌰4. C++11和boost中智能指针的关系

🍋知识点三：内存泄露

•🌰1. 内存泄露的危害

•🌰2. 检测和避免内存泄露

 • ✨SumUp结语

  •✨说在前面

亲爱的读者们大家好！💖💖💖，我们又见面了，前几篇文章包括了我们C++11中的很多新特性，但是我们还缺一部分——智能指针。我们今天就来剖析它。如果大家没有掌握好之前的知识，前面几篇文章讲解地很详细，可以再回去看看，复习一下，再进入今天的内容。

这一篇文章讲的是智能指针，也是C++阶段主线的最后一篇文章，C++主线内容就更新结束了，往后将继续更新Linux的内容。如果大家准备好了，那就接着往下看吧~

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 【C++】C++11引入的新特性（1）

 【C++】C++11引入的新特性（2）

 【C++】异常

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🍋知识点一：智能指针的使用和原理

•🌰1. 智能指针的使用场景

下面程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常等，后面的delete没有得到执行，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本身也可能抛异常，连续的两个new和下面的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很麻烦。智能指针放到这样的场景里面就让问题简单多了。

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	//这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array和array2没有得到释放。
	//所以这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面处理，这里捕获了再重新抛出去。
	//但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套一层捕获释放逻辑，这里更好解决方案
	//是智能指针，否则代码太戳了
	int* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[10];//抛异常呢
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete[]" << array1 << endl;
		cout << "delete[]" << array2 << endl;

		delete[] array1;
		delete[] array2;
		throw; //异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

 

•🌰2. RAII和智能指针的设计思路

1. RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是一种管理资源的类的设计思想，本质是一种利用对象生命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这里的资源可以是内存、文件指针、网络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给一个对象，接着控制对资源的访问，资源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，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。

2. 智能指针类除了满足RAII的设计思路，还要方便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类一样，重载operator*/operator->/operator[]等运算符，方便访问资源。

template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		cout << "delete[] " << _ptr << endl;
		delete[] _ptr;
		_ptr = nullptr;
	}
	T& operator[](size_t i)
	{
		return _ptr[i];
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp3 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp4 = new int[10];
	SmartPtr<pair<int, int>> sp5 = new pair<int, int>[10];

	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Divide(len, time) << endl;

	sp5->first = 3;
	sp5->second = 5;
	
	cout << sp5->first << ":" << sp5->second << endl;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

 

•🌰3. C++标准库智能指针的使用

智能指针模拟的是原生指针的行为，那我们在拷贝的时候就希望是浅拷贝，但是这样会使得两个智能指针会被析构两次：

//智能指针模拟的是原生指针的行为
int main()
{
	//希望sp1和sp2共同管理一块内存
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2(sp1); 

	return 0;
}

因此，C++智能指针有以下的几种解决方案：。

1. C++标准库中的智能指针都在<memory>这个头文件下面，我们包含<memory>就可以是使用了，智能指针有好几种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针一样访问的行为，原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。

2. auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给拷贝对象，这是一个非常糟糕的设计，因为他会到被拷贝对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使用auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁止使用这个智能指针的。

3. unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯一指针，他的特点的不支持拷贝，只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用他。

4. shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是支持拷贝，也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用他了。底层是用引用计数的方式实现的。

5. weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上⾯的智能指针，他不支持RAII，也就意味着不能用它直接管理资源，weak_ptr的产生本质是解决shared_ptr的⼀个循环引用导致内存泄漏的问题。具体细节下面我们再细讲。

6. 智能指针析构时默认是进行delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针支持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是一个可调用对象，这个可调用对象中实现你想要的释放资源的方式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。因为new[]经常使用，所以为了简洁一点，unique_ptr和shared_ptr都特化了⼀份[]的版本，使用时 unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。

7. template <class T, class... Args> shared_ptr<T> make_shared(Args&&... args);

8. shared_ptr 除了支持用指向资源的指针构造，还支持make_shared用初始化资源对象的值直接构造。

9. shared_ptr和unique_pt 都支持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是一个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。

10. shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使用explicit修饰，防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

void DeleteArrayFunc(Date* ptr)
{
	delete[] ptr;
}

template<class T>
struct DeleteArray
{
public:
	void operator()(T* ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
};

struct Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		cout << "fclose" << ":" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};

int main()
{
	std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	std::shared_ptr<Date[]> sp2(new Date[10]);

	//shared_ptr定制删除器，建议lambda
	std::shared_ptr<Date> sp3(new Date[10], [](Date* ptr) { delete[] ptr; });
	std::shared_ptr<Date> sp4(new Date[10], DeleteArrayFunc);
	std::shared_ptr<Date> sp5(new Date[10], DeleteArray<Date>());
	std::shared_ptr<FILE> sp6(fopen("test.cpp", "r"), Fclose());

	std::unique_ptr<Date> up1(new Date);
	std::unique_ptr<Date[]> up2(new Date[10]);
    
    //unique_ptr定制删除器，建议仿函数
    std::unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up3(new Date[10]);
    std::unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up4(new Date[10], DeleteArrayFunc);
    std::unique_ptr<FILE, Fclose> up5(fopen("test.cpp", "r"));
	
	auto fcloseFunc = [](FILE* ptr) 
    {   
         cout << "fclose" << ":" << ptr << endl; 
         fclose(ptr); 
    };
	std::unique_ptr<FILE, decltype(fcloseFunc)> up5
        (fopen("test.cpp", "r"), fcloseFunc);

	return 0;
}
int main()
{
	std::shared_ptr<Date> sp1(new Date(2024, 7, 16));
	std::shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2024, 7, 16);
	std::shared_ptr<Date> sp4;
	//if (sp1.operator bool())
	if(sp1)
	{
		cout << "Sp1 is not nullptr." << endl;
	}
	if (!sp4)
	{
		cout << "Sp4 is nullptr." << endl;
	}
	//报错
	shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);
	unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11)

	return 0;
}

 

•🌰4. 智能指针的原理 

1. 下面我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核心功能，这两个智能指针的实现比较简单，大家了解一下原理即可。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象，这种思路是不被认可的，也不建议使用。unique_ptr的思路是不支持拷贝。

2. 大家重点要看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引用计数的设计，主要这里一份资源就需要一个引用计数，所以引用计数采用静态成员的方式是无法实现的，要使用堆上动态开辟的方式，构造智能指针对象时来一份资源，就要new一个引用计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引用计数，shared_ptr对象析构时就——引用计数，引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后一个管理资源的对象，则析构资源。

namespace bit
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		//构造函数
		auto_ptr(T* _ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		//析构函数
		~auto_ptr()
		{
			cout << "~auto_ptr() 析构" << endl;
			delete _ptr;
		}
		//拷贝构造
		auto_ptr(const auto_ptr<T>& ap)
		：_ptr(ap._ptr)
		{
			ap._ptr = nullptr;
		}
		//拷贝赋值
		auto_ptr<T>& operator=(const auto_ptr<T>& ap)
		{
			if(this != &ap)
			{
				if(_ptr) delete _ptr;

				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
				return *this
			}
			return *this;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};


	template <class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		//构造函数
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		//析构函数
		~unique_ptr()
		{
			cout << "~unique_ptr() 析构" << endl;
			delete _ptr;
		}
		unique_ptr<T>(const unique_ptr& sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
		//移动构造
		unique_ptr<T>(unique_ptr<T>&& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			sp._ptr = nullptr;
		}
		//移动赋值
		unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>&& sp)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = sp._ptr;
			sp._ptr = nullptr;

			return *this;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};

	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		//构造函数
		shared_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
			,_pcount(new atomic<int>(1))
		{}
		template<class T, class D>
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			:_ptr(ptr)
			, _pcount(new atomic<int>(1))
			,_del(del)
		{}
		//析构函数
		~shared_ptr()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				//delete_ptr;
				_del(_ptr);
				delete _pcount;
			}
		}
		//拷贝构造
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pcount(sp._pcount)
		{
			(*_pcount)++;
		}
		//拷贝赋值
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr)
			{
				cout << 
                "shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) 拷贝赋值" 
                << endl;
				if (--(*_pcount) == 0)
				{
					delete _ptr;
					delete _pcount;
				}
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				(*_pcount)++;

				return *this;
			}
		}
		int use_count() const
		{
			return *_pcount;
		}
		T& operator[](size_t i)
		{
			return _ptr[i];
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		//int* _pcount;
		atomic<int>* _pcount;//原子
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) { delete ptr; };
	};
}

 

🍋知识点二：shared_ptr和weak_ptr

•🌰1. shared_ptr的循环引用问题

1. shared_ptr大多数情况下管理资源非常合适，支持RAII，也支持拷贝。但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因，并且学会使用weak_ptr解决这种问题。

2. 如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引用计数减到1

(a). 右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。

(b).  _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。

(c).  左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。

(d).  _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。

3. 此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用，谁都不会释放就形成了循环引用，导致内存泄漏。

4. 把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引用计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引用，解决了这里的问题

struct ListNode
{
	int _data;
	/*std::shared_ptr<ListNode> _next;
	std::shared_ptr<ListNode> _prev;*/
	//这里改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
	// 不增加n2的引用计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引用了
	std::weak_ptr<ListNode> _next;
	std::weak_ptr<ListNode> _prev;
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	//weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引用计数，作为一些场景的辅助管理
	//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);

	return 0;
}

 

•🌰2. weak_ptr

1. weak_ptr不支持RAII，也不支持访问资源，所以我们看文档发现weak_ptr构造时不支持绑定到资源，只支持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引用计数，那么就可以解决上述的循环引用问题。

2. weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr支持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引用计数，weak_ptr想访问资源时，可以调用lock返回一个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是一个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的

int main()
{
	std::shared_ptr<string> sp1(new string("11111"));
	std::shared_ptr<string> sp2(sp1);

	std::weak_ptr<string> wp = sp1;
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;

	//sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
	sp1 = make_shared<string>("22222");
	sp2 = make_shared<string>("33333");

	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;

	wp = sp1;
	//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
	auto sp3 = wp.lock();
	sp1 = make_shared<string>("22222");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;

	return 0;
}

 

•🌰3. shared_ptr的线程安全问题

1. shared_ptr的引用计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进行shared_ptr的拷贝析构时会访问修改引用计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。

2. shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该由外层使用shared_ptr的人进行线程安全的控制。

3. 下面的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr引用计数从int*改成atomic<int>*就可以保证引用计数的线程安全问题，或者使用互斥锁加锁也可以。

#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>

struct AA
{
	int _a1 = 0;
	int _a2 = 0;
	~AA()
	{
		cout << "~AA()" << endl;
	}
};
int main()
{
	bit::shared_ptr<AA> p(new AA);
	const size_t n = 100000;
	mutex mtx;
	auto func = [&]()
		{
			for (size_t i = 0; i < n; ++i)
			{
				// 这里智能指针拷⻉会++计数
				bit::shared_ptr<AA> copy(p);
				{
					unique_lock<mutex> lk(mtx);
					copy->_a1++;
					copy->_a2++;
				}
			}
		};
	thread t1(func);
	thread t2(func);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << p->_a1 << endl;
	cout << p->_a2 << endl;
	cout << p.use_count() << endl;

	return 0;
}

 

•🌰4. C++11和boost中智能指针的关系

1. Boost库是为C++语言标准库提供扩展的一些C++程序库的总称，Boost社区建立的初衷之⼀就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现，Boost社区的发起人Dawes本人就是C++标准委员会的成员之一。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。

2. C++ 98 中产生了第⼀个智能指针auto_ptr。

3. C++ boost给出了更实用的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等.

4. C++ TR1，引入了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。

5. C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

 

🍋知识点三：内存泄露

•🌰1. 内存泄露的危害

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，一般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。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：普通程序运行一会就结束了出现内存泄漏问题也不大，进程正常结束，页表的映射关系解除，物理内存也可以释放。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、长时间运行的客户端等等，不断出现内存泄漏会导致可用内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。

int main()
{
	//申请一个1G未释放，这个程序多次运行也没啥危害
	//因为程序⻢上就结束，进程结束各种资源也就回收了
	char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];
	cout << (void*)ptr << endl;
	return 0;
}

 

•🌰2. 检测和避免内存泄露

linux下内存泄露检测：Linux下几款C++程序中的内存泄露检查工具_c++内存泄露工具分析

windows下使用第三方工具：windows下的内存泄露检测工具VLD使用_windows内存泄漏检测工具

如何避免内存泄漏?

1. 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。

2. 尽量使用智能指针来管理资源，如果自己场景比较特殊，采用RAII思想自己造个轮子管理。

3. 定期使用内存泄漏工具检测，尤其是每次项目快上线前，不过有些工具不够靠谱，或者是收费。

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。

​

 • ✨SumUp结语

到这里本篇文章的内容就结束了，本节给大家讲解了C++11的智能指针。这是最后一篇C++的内容了，希望大家能够认真学习，迎接接下来Linux的挑战，期待大家继续捧场~💖💖💖


http://www.kler.cn/a/421106.html

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