C++：智能指针

发布于：2024-06-17 ⋅ 阅读:(26) ⋅ 点赞:(0)

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背景

由于C++11中引入了异常的概念，而异常会影响执行流，所以有时会导致我们申请的资源得不到释放，从而造成内存泄漏。

int div()
{
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    if (b == 0)
        throw invalid_argument("除0错误");
    return a / b;
}

void Func()
{
    // 1、如果p1这里 new 抛异常会如何？     -- 无影响
    // 2、如果p2这里 new 抛异常会如何？     -- p1没有释放，内存泄露
    // 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？  -- p1,p2都没有释放，内存泄露
    int* p1 = new int;
    int* p2 = new int;
    cout << div() << endl;
    delete p1;
    delete p2;
}

int main()
{
    try
    {
        Func();
    }
    catch (exception& e)
    {
        cout << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

内存泄漏

内存泄漏的危害

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的情况。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。

长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
{
    // 1.内存申请了忘记释放
    int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
    int* p2 = new int;
    
    // 2.异常安全问题
    int* p3 = new int[10];
    
    Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
    
    delete[] p3;
}

内存泄漏的分类

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄露(Heap Leak)

堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的free或者delete删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

系统资源泄露

指程序使用系统分配的资源，比如套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

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：这是个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要智能指针来管理才有保证。

  2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。

  3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。

  4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

智能指针的使用和原理

RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之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。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

  1. 不需要显示地释放资源
  2. 采用这种方法，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr)
        : 
    _ptr(ptr)
    {}
    
    ~SmartPtr()
    {
        if(_ptr)
            delete _ptr;
    }
    
private:
    T* _ptr;
};

int div()
{
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    
    if (b == 0)
        throw invalid_argument("除0错误");
    
    return a / b;
}

void Func()
{
    ShardPtr<int> sp1(new int);
    ShardPtr<int> sp2(new int);
    
    cout << div() << endl;
}

int main()
{
    try {
        Func();
    }
    catch(const exception& e)
    {
        cout<<e.what()<<endl;
    }
    return 0;
}

智能指针地原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。

template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	~SmartPtr()
	{
		if(_ptr != nullptr)
			delete _ptr;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10;
		cout << *sp1 << endl;
	SmartPtr<Date> sparray(new Date);
	// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
	// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
	sparray->_year = 2018;
	sparray->_month = 1;
	sparray->_day = 1;

	return 0;
}

auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。

auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份xxm::auto_ptr来了解它的原理：

// C++98  管理权转移  auto_ptr
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
	auto_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	auto_ptr(auto_ptr<T>& p)
		:_ptr(p._ptr)
	{
        // 管理权转移
		p._ptr = nullptr;
	}

	auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& p)
	{
        // 检测是否为自己给自己赋值
		if (_ptr != p._ptr)
		{
            // 释放当前对象中的资源
			if(_ptr != nullptr)
				delete _ptr;
            // 管理权转移
			_ptr = p._ptr;
			p._ptr = nullptr;
		}
		return *this;
	}

	~auto_ptr()
	{
		if (_ptr != nullptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

auto_ptr会导致悬空问题，很多公司明确要求不能使用auto_ptr。

int main()
{
    std::auto_ptr<int> sp1(new int);
    std::auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移

    // sp1悬空
    *sp2 = 10;
    cout << *sp2 << endl;
    cout << *sp1 << endl;
    return 0;
}

unique_ptr

C++11中提供了unique_ptr，unique_ptr的实现就是在auto_ptr的基础上，加上了防止拷贝的功能。

template<class T>
class unique_ptr
{
public:
	unique_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	~unique_ptr()
	{
		if (_ptr != nullptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

// C++11的做法
	unique_ptr(const unique_ptr<T>& p) = delete;
	unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& p) = delete;

// C++98的做法：拷贝构造函数和赋值重载函数声明为私有，且只声明不定义
// 只声明为私有：有可能有成员函数调用
// 只声明不定义：有人在类外给出了定义
// 所以两者缺一不可，必须：声明为私有，且只声明不定义
// private:
	// unique_ptr(const unique_ptr<T>& p);
	// unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& p);

private:
	T* _ptr;
};

int main()
{
   //unique_ptr<int> sp1(new int);
   //unique_ptr<int> sp2(sp1);
 
   //std::unique_ptr<int> sp1(new int);
   //std::unique_ptr<int> sp2(sp1);
 
   return 0;
}

shared_ptr

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

  1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
  2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
  3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源
  4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象里的成员变量就成野指针了。
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	shared_ptr(T* p)
		:_ptr(p)
		, _pcount(new size_t(1))
	{}

	shared_ptr(const shared_ptr<T>& p)
	{
		_ptr = p._ptr;
		_pcount = p._pcount;
		(*_pcount)++;
	}

	shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& p)
	{
		if (_ptr != p._ptr)
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
			_ptr = p._ptr;
			_pcount = p._pcount;
			(*_pcount)++;
		}
		return *this;
	}

	~shared_ptr()
	{
		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _pcount;
			_ptr = nullptr;
            _pcount = nullptr;
		}
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	size_t use_count() const
	{
		return *_pcount;
	}

	T* get() const
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
	size_t* _pcount;
};

shared_ptr的循环引用

struct ListNode
{
    int _data;
    shared_ptr<ListNode> _prev;
    shared_ptr<ListNode> _next;
    
    ListNode()
		:_data(0)
		,_prev(nullptr)
		,_next(nullptr)
	{}
    
    ~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};

int main()
{
    shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
    cout << node1.use_count() << endl;
    cout << node2.use_count() << endl;
    
    node1->_next = node2;
    node2->_prev = node1;
    
    cout << node1.use_count() << endl;
    cout << node2.use_count() << endl;
    
    return 0;
}

循环引用分析：

  1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
  2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
  3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
  4. 也就是说_next析构了，node2就释放了，_prev析构了，node1就释放了。
  5. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev 属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
    在这里插入图片描述
// 解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
// 原理就是，node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
	weak_ptr()
		:_ptr(nullptr)
	{}

	weak_ptr(const shared_ptr<T>& p)
		:_ptr(p.get())
	{}

	weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
	{
		_ptr = sp.get();
		return *this;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

struct ListNode
{
    int _data;
    weak_ptr<ListNode> _prev;
    weak_ptr<ListNode> _next;
    
    ListNode()
		:_data(0)
		,_prev(nullptr)
		,_next(nullptr)
	{}
    
    ~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};

int main()
{
    shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
    cout << node1.use_count() << endl;
    cout << node2.use_count() << endl;
    
    node1->_next = node2;
    node2->_prev = node1;
    
    cout << node1.use_count() << endl;
    cout << node2.use_count() << endl;
    
    return 0;
}

定制删除器

如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题

// 定制删除器版本
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	shared_ptr(T* p)
		:_ptr(p)
		, _pcount(new size_t(1))
	{}

	template<class D>
	shared_ptr(T* p, D del)
		:_ptr(p)
		, _pcount(new int(1))
		, _del(del)
	{}

	shared_ptr(const shared_ptr<T>& p)
	{
		_ptr = p._ptr;
		_pcount = p._pcount;
		(*_pcount)++;
	}

	shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& p)
	{
		if (_ptr != p._ptr)
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				// delete _ptr;
				del(_ptr);
				delete _pcount;
			}
			_ptr = p._ptr;
			_pcount = p._pcount;
			(*_pcount)++;
		}
		return *this;
	}

	~shared_ptr()
	{
		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			// delete _ptr;
			_del(_ptr);
			delete _pcount;
			_ptr = nullptr;
			_pcount = nullptr;
		}
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	size_t use_count() const
	{
		return *_pcount;
	}

	T* get() const
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
	size_t* _pcount;
	std::function<void(T*)> _del = [](T* ptr) { delete ptr; };
};

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