C++Smart Pointer 智能指针详解
目录
- 一、为啥使用智能指针呢
- 二、shared_ptr智能指针
- 三、unique_ptr智能指针
- 四、weak_ptr智能指针
- 五、智能指针怎么解决交叉引用,造成的内存泄漏
- 5.1交叉引用的栗子:
- 5.2解决方案
- 六、智能指针的注意事项
- 总结
一、为啥使用智能指针呢
标准库中的智能指针: std::auto_ptr --single ownership (C++98中出现,缺陷较多,被摒弃) std::unique_ptr --single ownership (C++11替代std::auto_ptr,用于单线程) std::shared_ptr --shared ownership (C++11,用于多线程) std::weak_ptr --temp/no ownership (C++11) Introduced in C++ 11 Defined in <memory> header.
首先看一个下面的栗子,左边是木有使用智能指针的情况,当执行foo()
函数,其中的e
指针会在bar(e)
时传入bar
函数,但是在bar
函数结束后没有人为delete e
时,就会导致内存泄漏;但是在右边的栗子中,使用了unique_ptr
智能指针(single ownership),就能防止内存泄漏。
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。
auto_ptr
智能指针:(C++11出来前只有这种智能指针)当对象拷贝或者赋值后,前面的对象就悬空了。unique_ptr
智能指针:防止智能指针拷贝和复制。shared_ptr
智能指针:通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr
对象之间共享资源。weak_ptr
智能指针: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。
注意:每一种智能指针都可以增加内存的引用计数。
- 智能指针分为两类:
- 一种是可以使用多个智能指针管理同一块内存区域,每增加一个智能指针,就会增加1次引用计数,
- 另一类是不能使用多个智能指针管理同一块内存区域,通俗来说,当智能指针2来管理这一块内存时,原先管理这一块内存的智能指针1只能释放对这一块指针的所有权(ownership)。
- 按照这个分类标准,
auto_ptr
unique_ptr
weak_ptr
属于后者,shared_ptr
属于前者。
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。
#include <string> #include <memory> using namespace std; class report { private: string str; public: report(const string s):str(s) //构造方法 { cout<<"1 report Object has been build!"<<endl; } ~report() { cout<<"3 report Object deleted!"<<endl; } void talk() { cout<<str<<endl; } }; int main() { string talk="2 hello,this is a test!"; { auto_ptr<report> ptr(new report(talk)); ptr->talk(); } { shared_ptr<report> ptr(new report(talk)); ptr->talk(); } { unique_ptr<report> ptr(new report(talk)); ptr->talk(); } return 0; }
二、shared_ptr智能指针
shared_ptr
实现了共享拥有的概念,利用“引用计数”来控制堆上对象的生命周期。
share_ptr
的生命周期:
原理:在初始化的时候引用计数设为1,每当被拷贝或者赋值的时候引用计数+1,析构的时候引用计数-1,直到引用计数被减到0,那么就可以delete掉对象的指针了。他的构造方式主要有以下三种:
shared_ptr<Object> ptr; shared_ptr<Object> ptr(new Object); shared_ptr<Object> ptr(new Object, [=](Object *){ //回收资源时调用的函数 }); auto ptr = make_shared<Object>(args);
- 第一种空构造,没有指定
shared_ptr
管理的堆上对象的指针,所以引用计数为0,后期可以通过reset()
成员函数来指定其管理的堆上对象的指针,reset()
之后引用计数设为1。 - 第二种是比较常见的构造方式,构造函数里面可以放堆上对象的指针,也可以放其他的智能指针(如
weak_ptr
)。 - 第三种构造方式指定了
shared_ptr
在析构自己所保存的堆上对象的指针时(即引用计数为0时)所要调用的函数,这说明我们可以自定义特定对象的特定析构方式。同样的,reset()
成员函数也可以指定析构时调用的指定函数。 - 第四种方法:较常见,构造
shared_ptr
的方式(最安全):
auto ptr = make_shared<Object>(args);
上面第四种方法,使用标准库里边的
make_shared<>()
模板函数。该函数会调用模板类的构造方法,实例化一个堆上对象,然后将保存了该对象指针的shared_ptr
返回。参数是该类构造函数的参数,所以使用make_shared<>()
就好像单纯地在构造该类对象一样。auto
是C++11的一个关键字,可以在编译期间自动推算变量的类型,在这里就是shared_ptr<Object>
类型。
shared_ptr
的其他成员函数:
use_count() //返回引用计数的个数 unique() //返回是否是独占所有权(use_count是否为1) swap() //交换两个shared_ptr对象(即交换所拥有的对象,引用计数也随之交换) 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
三、unique_ptr智能指针
注意unique_ptr
是single ownership的,不能拷贝。其构造方式如下:
unique_ptr
的生命周期:
四、weak_ptr智能指针
五、智能指针怎么解决交叉引用,造成的内存泄漏
结论:创建对象时使用shared_ptr
强智能指针指向,其余情况都使用weak_ptr
弱智能指针指向。
5.1 交叉引用的栗子:
当A类中有一个指向B类的shared_ptr
强类型智能指针,B类中也有一个指向A类的shared_ptr
强类型智能指针。
main
函数执行后有两个强智能指针指向了对象A,对象A的引用计数为2,B类也是:
#include <iostream> #include <memory> using namespace std; class B; class A{ public: shared_ptr<B> _bptr; }; class B{ public: shared_ptr<A> _aptr; }; int main(){ shared_ptr<A> aptr(new A()); shared_ptr<B> bptr(new B()); aptr->_bptr = bptr; bptr->_aptr = aptr; return 0; }
而当主函数main
的return
返回后,对象A
的引用计数减一变为1(aptr
没指向A
对象了),B
对象也是,引用计数不为0,即不能析构2个对象释放内存,造成内存泄漏。
5.2 解决方案
将类A和类B中的shared_ptr
强智能指针都换成weak_ptr
弱智能指针;
class A{ public: weak_ptr<B> _bptr; }; class B{ public: weak_ptr<A> _aptr; };
weak_ptr
弱智能指针,虽然有引用计数,但实际上它并不增加计数,而是只观察对象的引用计数。所以此时对象A的引用计数只为1,对象B的引用计数也只为1。
六、智能指针的注意事项
- 避免同一块内存绑定到多个独立创建的shared_ptr上,因此要不使用相同的内置指针初始化(或reset)多个智能指针,不要混合使用智能指针和普通指针,坚持只用智能指针。
- 不delete get() 函数返回的指针,因为这样操作后,
shared_ptr
并不知道它管理的内存被释放了,会造成shared_ptr重复析构。 - 不使用 get()函数初始化或(reset)另外的智能指针。
shared_ptr<int> p = make_share<int> (42); int *q = p.get(); { shared_ptr<int>(q); } // 程序块结束,q被销毁,指向的内存被释放。 int foo = *p; // 出错,p指向的内存已经被q释放,这是用get() 初始化另外的智能指针惹得祸。 // 请记住,永远不要用get初始化另外一个智能指针。
能使用unique_ptr
时就不要使用share_ptr
指针(后者需要保证线程安全,所以在赋值or销毁时overhead开销更高)。
总结
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