详解C++11智能指针

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-08-17 16:44 113阅读 0赞

## 前言 ##

C++里面的四个智能指针: auto\_ptr, unique\_ptr,shared\_ptr, weak\_ptr 其中后三个是C++11支持，并且第一个已经被C++11弃用。

## C++11智能指针介绍 ##

智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象。当栈对象的生存周期结束后，会在析构函数中释放掉申请的内存，从而防止内存泄漏。C++ 11中最常用的智能指针类型为shared\_ptr,它采用引用计数的方法，记录当前内存资源被多少个智能指针引用。该引用计数的内存在堆上分配。当新增一个时引用计数加1，当过期时引用计数减一。只有引用计数为0时，智能指针才会自动释放引用的内存资源。对shared\_ptr进行初始化时不能将一个普通指针直接赋值给智能指针，因为一个是指针，一个是类。可以通过make\_shared函数或者通过构造函数传入普通指针。并可以通过get函数获得普通指针。

## 为什么要使用智能指针 ##

智能指针的作用是管理一个指针，因为存在以下这种情况：申请的空间在函数结束时忘记释放，造成内存泄漏。使用智能指针可以很大程度上的避免这个问题，因为智能指针就是一个类，当超出了类的作用域是，类会自动调用析构函数，析构函数会自动释放资源。所以智能指针的作用原理就是在函数结束时自动释放内存空间，不需要手动释放内存空间。

## auto\_ptr ##

（C++98的方案，C++11已经抛弃）采用所有权模式。

auto_ptr<string> p1 (new string ("I reigned lonely as a cloud.")); auto_ptr<string> p2; p2 = p1; //auto_ptr不会报错.

此时不会报错，p2剥夺了p1的所有权，但是当程序运行时访问p1将会报错。所以auto\_ptr的缺点是：存在潜在的内存崩溃问题！

## unique\_ptr ##

（替换auto\_ptr）unique\_ptr实现独占式拥有或严格拥有概念，保证同一时间内只有一个智能指针可以指向该对象。它对于避免资源泄露(例如“以new创建对象后因为发生异常而忘记调用delete”)特别有用。

采用所有权模式，还是上面那个例子

unique_ptr<string> p3 (new string ("auto")); //#4 unique_ptr<string> p4； //#5 p4 = p3;//此时会报错！！

编译器认为p4=p3非法，避免了p3不再指向有效数据的问题。尝试复制p3时会编译期出错，而auto\_ptr能通过编译期从而在运行期埋下出错的隐患。因此，unique\_ptr比auto\_ptr更安全。

另外unique\_ptr还有更聪明的地方：当程序试图将一个 unique\_ptr 赋值给另一个时，如果源 unique\_ptr 是个临时右值，编译器允许这么做；如果源 unique\_ptr 将存在一段时间，编译器将禁止这么做，比如：

unique_ptr<string> pu1(new string ("hello world")); unique_ptr<string> pu2; pu2 = pu1; // #1 不允许 unique_ptr<string> pu3; pu3 = unique_ptr<string>(new string ("You")); // #2 允许

其中\#1留下悬挂的unique\_ptr(pu1)，这可能导致危害。而\#2不会留下悬挂的unique\_ptr，因为它调用 unique\_ptr 的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权让给 pu3 后就会被销毁。这种随情况而已的行为表明，unique\_ptr 优于允许两种赋值的auto\_ptr 。

**注：**如果确实想执行类似与\#1的操作，要安全的重用这种指针，可给它赋新值。C++有一个标准库函数std::move()，让你能够将一个unique\_ptr赋给另一个。尽管转移所有权后 还是有可能出现原有指针调用（调用就崩溃）的情况。但是这个语法能强调你是在转移所有权，让你清晰的知道自己在做什么，从而不乱调用原有指针。

（**额外：**boost库的boost::scoped\_ptr也是一个独占性智能指针，但是它不允许转移所有权，从始而终都只对一个资源负责，它更安全谨慎，但是应用的范围也更狭窄。）

例如：

unique_ptr<string> ps1, ps2; ps1 = demo("hello"); ps2 = move(ps1); ps1 = demo("alexia"); cout << *ps2 << *ps1 << endl;

## shared\_ptr ##

shared\_ptr实现共享式拥有概念。多个智能指针可以指向相同对象，该对象和其相关资源会在“最后一个引用被销毁”时候释放。从名字share就可以看出了资源可以被多个指针共享，它使用计数机制来表明资源被几个指针共享。可以通过成员函数use\_count()来查看资源的所有者个数。除了可以通过new来构造，还可以通过传入auto\_ptr, unique\_ptr,weak\_ptr来构造。当我们调用release()时，当前指针会释放资源所有权，计数减一。当计数等于0时，资源会被释放。

shared\_ptr 是为了解决 auto\_ptr 在对象所有权上的局限性(auto\_ptr 是独占的), 在使用引用计数的机制上提供了可以共享所有权的智能指针。

成员函数：

use\_count 返回引用计数的个数

unique 返回是否是独占所有权( use\_count 为 1)

swap 交换两个 shared\_ptr 对象(即交换所拥有的对象)

reset 放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少

get 返回内部对象(指针), 由于已经重载了()方法, 因此和直接使用对象是一样的.如

shared_ptr<int> sp(new int(1));

sp 与 sp.get()是等价的。

share\_ptr的简单例子：

int main() { string *s1 = new string("s1"); shared_ptr<string> ps1(s1); shared_ptr<string> ps2; ps2 = ps1; cout << ps1.use_count()<<endl; //2 cout<<ps2.use_count()<<endl; //2 cout << ps1.unique()<<endl; //0 string *s3 = new string("s3"); shared_ptr<string> ps3(s3); cout << (ps1.get()) << endl; //033AEB48 cout << ps3.get() << endl; //033B2C50 swap(ps1, ps3); //交换所拥有的对象 cout << (ps1.get())<<endl; //033B2C50 cout << ps3.get() << endl; //033AEB48 cout << ps1.use_count()<<endl; //1 cout << ps2.use_count() << endl; //2 ps2 = ps1; cout << ps1.use_count()<<endl; //2 cout << ps2.use_count() << endl; //2 ps1.reset(); //放弃ps1的拥有权，引用计数的减少 cout << ps1.use_count()<<endl; //0 cout << ps2.use_count()<<endl; //1 }

## weak\_ptr ##

share\_ptr虽然已经很好用了，但是有一点share\_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared\_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。

weak\_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared\_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的shared\_ptr， weak\_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak\_ptr 设计的目的是为配合 shared\_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared\_ptr 工作, 它只可以从一个 shared\_ptr 或另一个 weak\_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。weak\_ptr是用来解决shared\_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared\_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared\_ptr之间可以相互转化，shared\_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared\_ptr。

class B; //声明 class A { public: shared_ptr<B> pb_; ~A() { cout << "A delete\n"; } }; class B { public: shared_ptr<A> pa_; ~B() { cout << "B delete\n"; } }; void fun() { shared_ptr<B> pb(new B()); shared_ptr<A> pa(new A()); cout << pb.use_count() << endl; //1 cout << pa.use_count() << endl; //1 pb->pa_ = pa; pa->pb_ = pb; cout << pb.use_count() << endl; //2 cout << pa.use_count() << endl; //2 } int main() { fun(); return 0; }

可以看到fun函数中pa ，pb之间互相引用，两个资源的引用计数为2，当要跳出函数时，智能指针pa，pb析构时两个资源引用计数会减1，但是两者引用计数还是为1，导致跳出函数时资源没有被释放（A、B的析构函数没有被调用）运行结果没有输出析构函数的内容，造成内存泄露。如果把其中一个改为weak\_ptr就可以了，我们把类A里面的shared\_ptr pb\_，改为weak\_ptr pb\_ ，运行结果如下：

1 1 1 2 B delete A delete

这样的话，资源B的引用开始就只有1，当pb析构时，B的计数变为0，B得到释放，B释放的同时也会使A的计数减1，同时pa析构时使A的计数减1，那么A的计数为0，A得到释放。

注意：我们不能通过weak\_ptr直接访问对象的方法，比如B对象中有一个方法print()，我们不能这样访问，pa->pb\_->print()，因为pb\_是一个weak\_ptr，应该先把它转化为shared\_ptr，如：

shared_ptr<B> p = pa->pb_.lock(); p->print();

weak\_ptr 没有重载\*和->但可以使用 lock 获得一个可用的 shared\_ptr 对象. 注意, weak\_ptr 在使用前需要检查合法性.

expired 用于检测所管理的对象是否已经释放, 如果已经释放, 返回 true; 否则返回 false.

lock 用于获取所管理的对象的强引用(shared\_ptr). 如果 expired 为 true, 返回一个空的 shared\_ptr; 否则返回一个 shared\_ptr, 其内部对象指向与 weak\_ptr 相同.

use\_count 返回与 shared\_ptr 共享的对象的引用计数.

reset 将 weak\_ptr 置空.

weak\_ptr 支持拷贝或赋值, 但不会影响对应的 shared\_ptr 内部对象的计数.

## share\_ptr和weak\_ptr的核心实现 ##

weakptr的作为弱引用指针，其实现依赖于counter的计数器类和share\_ptr的赋值，构造，所以先把counter和share\_ptr简单实现

### Counter简单实现 ###

class Counter { public: Counter() : s(0), w(0){}; int s; //share_ptr的引用计数 int w; //weak_ptr的引用计数 };

counter对象的目地就是用来申请一个块内存来存引用基数，s是share\_ptr的引用计数，w是weak\_ptr的引用计数，当w为0时，删除Counter对象。

### share\_ptr的简单实现 ###

template <class T> class WeakPtr; //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用 template <class T> class SharePtr { public: SharePtr(T *p = 0) : _ptr(p) { cnt = new Counter(); if (p) cnt->s = 1; cout << "in construct " << cnt->s << endl; } ~SharePtr() { release(); } SharePtr(SharePtr<T> const &s) { cout << "in copy con" << endl; _ptr = s._ptr; (s.cnt)->s++; cout << "copy construct" << (s.cnt)->s << endl; cnt = s.cnt; } SharePtr(WeakPtr<T> const &w) //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用 { cout << "in w copy con " << endl; _ptr = w._ptr; (w.cnt)->s++; cout << "copy w construct" << (w.cnt)->s << endl; cnt = w.cnt; } SharePtr<T> &operator=(SharePtr<T> &s) { if (this != &s) { release(); (s.cnt)->s++; cout << "assign construct " << (s.cnt)->s << endl; cnt = s.cnt; _ptr = s._ptr; } return *this; } T &operator*() { return *_ptr; } T *operator->() { return _ptr; } friend class WeakPtr<T>; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值 protected: void release() { cnt->s--; cout << "release " << cnt->s << endl; if (cnt->s < 1) { delete _ptr; if (cnt->w < 1) { delete cnt; cnt = NULL; } } } private: T *_ptr; Counter *cnt; };

share\_ptr的给出的函数接口为：构造，拷贝构造，赋值，解引用，通过release来在引用计数为0的时候删除\_ptr和cnt的内存。

### weak\_ptr简单实现 ###

template <class T> class WeakPtr { public: //给出默认构造和拷贝构造，其中拷贝构造不能有从原始指针进行构造 WeakPtr() { _ptr = 0; cnt = 0; } WeakPtr(SharePtr<T> &s) : _ptr(s._ptr), cnt(s.cnt) { cout << "w con s" << endl; cnt->w++; } WeakPtr(WeakPtr<T> &w) : _ptr(w._ptr), cnt(w.cnt) { cnt->w++; } ~WeakPtr() { release(); } WeakPtr<T> &operator=(WeakPtr<T> &w) { if (this != &w) { release(); cnt = w.cnt; cnt->w++; _ptr = w._ptr; } return *this; } WeakPtr<T> &operator=(SharePtr<T> &s) { cout << "w = s" << endl; release(); cnt = s.cnt; cnt->w++; _ptr = s._ptr; return *this; } SharePtr<T> lock() { return SharePtr<T>(*this); } bool expired() { if (cnt) { if (cnt->s > 0) { cout << "empty" << cnt->s << endl; return false; } } return true; } friend class SharePtr<T>; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值 protected: void release() { if (cnt) { cnt->w--; cout << "weakptr release" << cnt->w << endl; if (cnt->w < 1 && cnt->s < 1) { //delete cnt; cnt = NULL; } } } private: T *_ptr; Counter *cnt; };

weak\_ptr一般通过share\_ptr来构造，通过expired函数检查原始指针是否为空，lock来转化为share\_ptr。

转载于:https://www.cnblogs.com/WindSun/p/11444429.html