C++智能指针模板应用详细介绍

目录

• 智能指针模板类
• 使用智能指针
• 关于智能指针的注意事项
• unique_ptr优于auto_ptr
• 选择智能指针
• weak_ptr

智能指针模板类

void remodel(std::string & str)
{
    std::string *ps =new std::string(str);
    ....
    if(oh_no)
        throw exception();
    ...
    delete ps;
    return;
}

如果上面这段函数出现异常,那么就会发生内存泄漏。传统指针在执行动态内存分配时具有缺陷,很容易导致内存泄漏。如果有一个指针,指针被释放的同时,它指向的内存也能被释放,那就完美了。这种指针就是智能指针。

我们只介绍3个智能指针模板类:auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr,顺便会提一下weak_ptr。其中auto_ptr已经被抛弃了,它是一个过时的产物,我们介绍它只为抛砖引玉。

使用智能指针

这些智能指针模板定义了类似指针的对象,我们把new获得的地址赋给这种对象,当智能指针过期时,它的析构函数会自动释放动态内存。

必须包含头文件memory,这个文件包含模板定义。我们使用模板实例化来创建所需指针.

类模板大概是:

template<class X>
class auto_ptr
{
public:
    explicit auto_ptr(X* p) noexcept;
    ....
}

所以我们实例化:

auto_ptr<double> pd(new double);或者auto_ptr<string> ps(new string);。

对于其他两种智能指针也是一样的构造语法。

//智能指针1.cpp
#include<iostream>
#include<string>
#include<memory>
class Report
{
private:
    std::string str;
public:
    Report(const std::string &s):str(s){std::cout<<"Object created!\n";}
    ~Report(){std::cout<<"Object deleted";}
    void comment() const{std::cout<<str<<"\n";}
};
int main()
{
    {
        std::auto_ptr<Report> ps(new Report("using auto_ptr"));
        ps->comment();
    }
    {
        std::unique_ptr<Report> ps(new Report("using unique_ptr"));
        ps->comment();
    }
    {
        std::shared_ptr<Report> ps(new Report("using shared_ptr"));
        ps->comment();
    }
}

Object created!
using auto_ptr
Object deletedObject created!
using unique_ptr
Object deletedObject created!
using shared_ptr
Object deleted

注意,所有智能指针类都有一个explicit构造函数,该构造函数将指针作为参数。所以它不会将指针转换成智能指针对象。

shared_ptr<double> pd;
double *p_reg=new double;
pd=p_reg;//不允许因为构造函数是`explicit`修饰的,所以不能隐式类型转换
pd=shared_ptr<double>(p_reg);//允许,使用赋值运算符
shared_ptr<double> pshared=p_reg;//不允许,因为不能隐式类型转换
shared_ptr<double> pshared(p_reg);//允许调用构造函数。

智能指针和传统指针有很多类似的语法:例如可以使用*ps来解除引用,也可以使用ps->来访问结构成员。

但是最重要的不同是:我们只能用能进行delete或者delete[]的指针来构造智能指针。

也就是说:

int a=5;
int *p=&a;
shared_ptr<int> ps(p);

上面这段代码就是错误的,因为p无法使用delete.

#include<memory>
#include<iostream>
int main()
{
    using namespace std;
    /*{
        auto_ptr<int[]> ps(new int[2]{1,2});
        cout<<ps[0]<<endl;
        cout<<ps[1]<<endl;
    }*/
    {
        unique_ptr<int[]> ps(new int[2]{1,2});
        cout<<ps[0]<<endl;
        cout<<ps[1]<<endl;
    }
    {
        shared_ptr<int []> ps(new int[2]{1,2});
        cout<<ps[0]<<endl;
        cout<<ps[1]<<endl;
    }
}

上面代码告诉我们,我们可以使用<int []>这样实例化模板,这是为了模拟动态数组。

关于智能指针的注意事项

auto_ptr<string> ps(new string("I reigned lonely as a cloud."));
auto_ptr<string> pd;
pd=ps;

上面这段代码不会报错,但是你可能会问:pd和ps都是智能指针,如果我们把ps赋给pd;那么就说明这两个指针指向同一个string对象,那么当这两个指针消失时,会对同一个string对象释放两次?

我们看看我们如何避免这种问题:

• 进行深复制
• 建立所有权概念,对于特定的对象,只能有一个智能指针拥有它,这样就只有拥有它的智能指针的析构函数才会释放内存。然后赋值运算会转让所有权。auto_ptr和unique_ptr都是使用这种策略,但是unique_ptr更严格。
• 使用引用计数,每个对象都会记录有多少个智能指针指向它,然后赋值运算时,计数加1,指针过期时计数减1。当最后一个指针过期时,才会调用delete,这是shared_ptr的策略。

实际上,上述这些策略也适用于复制构造函数。

实际上,unique_ptr就是"唯一指针",指针和被指向的对象一一对应,而shared_ptr就是"分享指针",它允许多个指针指向同一个对象。所以说,shared_ptr的用法更像C风格指针。

我们看上面的代码,pd=ps后,由于string对象的所有权交给了pd,所以*ps就无法使用了。

//智能指针3.cpp
#include<iostream>
#include<string>
#include<memory>
int main()
{
    using namespace std;
    auto_ptr<string> films[5]=
    {
        auto_ptr<string>(new string("1")),
        auto_ptr<string>(new string("2")),
        auto_ptr<string>(new string("3")),
        auto_ptr<string>(new string("4")),
        auto_ptr<string>(new string("5"))
    };
    auto_ptr<string> p;
    p=films[2];
    for(int i=0;i<5;i++)
    {
        cout<<*films[i]<<endl;
    }
    cout<<*p<<endl;
}

上面这段代码会出错,因为p=films[2];使得,films[2]的所有权转让给p了,所以cout<<*film[2]就会出错。但是如果使用shared_ptr代替auto_ptr就可以正常运行了。如果使用unique_ptr呢?程序会在编译阶段报错,而不是在运行阶段报错,所以说unique_ptr更加严格。

unique_ptr优于auto_ptr

首先就是上面谈过的,unique_ptr的所有权概念比auto_ptr要严格,所以unique_ptr更加安全。

unique_ptr<string> ps(new string("I reigned lonely as a cloud."));
unique_ptr<string> pd;
pd=ps;

上述代码会在编译阶段报错,因为出现了危险的悬挂指针ps(即野指针,指针指向被删除的内存,如果使用野指针修改内存是会造成严重后果)。

但是有时候将一个智能指针赋给另一个并不会留下悬挂指针:

unique_ptr<string> demo(const char*s)
{
    unique_ptr<string> temp(new string(s));
    return temp;
}
...
unique_ptr<string>ps;
ps= demo("something");
...

demo()函数返回一个临时变量temp,然后临时变量temp被赋给ps,那么temp就变成悬挂指针了,但是我们知道ps=demo("something")一旦运行结束,demo()里的所有局部变量都会消失包括temp。所以即使temp是野指针,我们也不会使用它。神奇的是,编译器也允许上面这种赋值。

总之,程序试图将一个unique_ptr赋给另一个时,如果源unique_ptr是个临时右值,编译器允许这么做;如果源unique_ptr会存在一段世界,编译器禁止这么做。

unique_ptr<string> pu1;
pu1=unique_ptr<string>(new string("yo!"));

上面这段代码也是允许的,因为unique_ptr<string>(new string("yo!"))是一个临时右值(右值都是临时的,右值只在当前语句有效,语句结束后右值就会消失)

unique_ptr<string> ps(new string("I reigned lonely as a cloud."));
unique_ptr<string> pd;
pd=std::move(ps);

上面代码是正确的,如果你想要进行将unique_ptr左值,赋给unique_ptr左值,那么你必须使用move()函数,这个函数会将左值转换成右值。

以上所说,反映了一个事实:unique_ptr比auto_ptr安全。其实unique_ptr还有一个优点:auto_ptr的析构函数只能使用delete,而unique_ptr的析构函数可以使用delete[]和delete。

选择智能指针

首先明确一个事实:shared_ptr更方便;unique_ptr更安全。

如果程序需要适用多个指向同一个对象的指针,那么只能选择shared_ptr;如果不需要多个指向同一个对象的指针,那么两种指针都可以使用。总之,嫌麻烦的话就全部用shared_ptr.

#include<memory>
#include<iostream>
#include<vector>
#include<cstdlib>
#include<algorithm>
std::unique_ptr<int> make_int(int n)
{
    return std::unique_ptr<int>(new int(n));
}
void show(const std::unique_ptr<int> &pi)
{
    std::cout<<*pi<<' ';
}
int main()
{
    using std::vector;
    using std::unique_ptr;
    using std::rand;
    int size=10;
    vector<unique_ptr<int>> vp(size);
    for(int i=0;i<size;i++)
        vp[i]=make_int(rand()%1000);//#1
    vp.push_back(make_int(rand()%1000));//#2
    std::for_each(vp.begin(),vp.end(),show);//#3
}

上面这段代码是使用unique_ptr写的,#1.#2是没有问题的,因为函数返回值是临时右值,#3就要注意了.show()函数使用的是引用参数,如果换成按值传递,那就会出错,因为这会导致,使用unique_ptr左值初始化pi,这时不允许的,记得吗?在使用unique_ptr时,它的赋值运算符要求:只能用右值赋给左值。(实际上,它的复制构造函数也要求只接受右值)。

当unique_ptr是右值的时候,我们可以把他赋给shared_ptr。

shared_ptr包含一个显式构造函数,他会把右值unique_ptr转换成shared_ptr:

unique_ptr<int> pup(make_int(rand()%1000));//ok
shared_ptr<int> spp(pup);//不允许,构造函数不能接受`unique_ptr`的左值
shared_ptr<int> spr(make_int(rand()%1000));//ok

weak_ptr

weak_ptr正如它名字所言:一个虚弱的指针,一个不像是指的指针。weak_ptr是用来辅助shared_ptr的。

为什么说weak_ptr不像指针呢?是因为它没有重载*和[]运算符。

通常,我们使用shared_ptr来初始化weak_ptr,那么这两个指针都指向是同一块动态内存。

weak_ptr是shared_ptr的辅助,所以它帮忙能查看这块动态内存的信息:包括引用计数、存的信息。

#include<memory>
#include<iostream>
int main()
{
    using std::shared_ptr;
    using std::weak_ptr;
    using std::cout;
    using std::endl;
    shared_ptr<int> p1(new int(255));
    weak_ptr<int>wp(p1);
    cout<<"引用计数: "<<wp.use_count()<<endl;
    cout<<"存储信息: "<<*(wp.lock())<<endl;
    shared_ptr<int> p2=p1;
    cout<<"引用计数: "<<wp.use_count()<<endl;
    cout<<"存储信息: "<<*(wp.lock())<<endl;
}

引用计数: 1  
存储信息: 255
引用计数: 2  
存储信息: 255

weak_ptr的类方法中use_count()查看指向和当前weak_ptr指针相同的shared_ptr指针的数量,lock()函数返回一个和当前weak_ptr指针指向相同的shared_ptr指针。

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