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C++——探索智能指针的设计原理

news 来源：原创 2024/7/4 13:35:26

前言: RAII是资源获得即初始化，是一种利用对象生命周期来控制程序资源地手段。智能指针是在对象构造时获取资源，并且在对象的声明周期内控制资源，最后在对象析构的时候释放资源。注意，本篇文章参考——C++ 智能指针 - 全部用法详解-CSDN博客

看完博主的文章的友友们，可以去看一下该篇文章，该作者写的比博主通俗易懂。

为什么需要智能指针

智能指针

auto_ptr

auto_ptr的用法:

auto_ptr的模拟实现:

unique_ptr

unique_ptr的用法

unique_ptr的模拟实现

shared_ptr

shared_ptr的用法

shared_ptr的模拟实现（v1版本）

weak_ptr

weak_ptr的用法:

weak_ptr的模拟实现

shared_ptr中的定制删除器

智能指针坑点

为什么需要智能指针

首先我们来看一下这一个简单的程序:


void func() 
{int* p = new int;
}int main() 
{func();return 0;
}

在这个程序里面， func中定义了一个指向堆区一块空间的p。但是当出了作用域后， p指针就被销毁了，但是p指针指向的空间没有被销毁，这个时候就发生了内存泄漏。

另外一种情况就是我们虽然手动释放了内存，但是中途发生了异常，程序发生跳转，手动释放内存被截胡了。也会导致发生内存泄漏。

void test() 
{int* ptr = new int;if (1) {throw "发生异常";     //这里发生截胡， 无法走到下一行。}delete ptr;          //这里没有释放资源
}int main() 
{try {test();}catch (const char* str){cout << str << endl;}catch (...) {cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

而只能指针就是为了这种情况设计出来的。也就是说，智能指针就是为了我们能够方便管理动态内存分配的资源，它能够在对象的声明周期结束时自动释放这些资源。

如图为一个简单的智能指针

在这个智能指针当中，当我们创建对象时，可以使用一块资源初始化。然后这块资源就会在这个对象的生命周期结束时自动销毁。

这就是智能指针的基本原理，虽然我们使用指针时，指针指向的空间不会被自动释放。但是对象在生命周期结束时会自动释放，所以我们把指针指向的资源放到对象里，让对象在释放自身的时候将资源一起释放掉。

智能指针

现在有三个智能指针的解决方案：

auto_ptr C++98
unique_ptr C++11
share_ptr C++11

另外，还有一个用来解除share_ptr中的循环引用问题的解决方案。

wake_ptr C++11

auto_ptr

auto_ptr的用法:

使用智能指针需要包含头文件memory, 具体使用方法如下:

#include<memory>             //只用智能指针需要包含memory头文件int main() 
{auto_ptr<int> p(new int);                  //利用auto_ptr创建一个管理int指针资源的对象auto_ptr<list<int>> pl(new list<int>);     //利用auto_ptr创建一个管理list<int>类型的指针资源的对象*p = 4;                    //auto_ptr<int>类型也能进行解引用操作(*pl).push_back(16);       //容器的指针， 解引用后就是容器本身。(*pl).push_back(15);(*pl).push_back(14);(*pl).push_back(13);(*pl).push_back(12);cout << *p << endl;                   //打印*pauto it = (*pl).begin();              //pl解引用获得list<int>对象， 可以像使用指针while (it != (*pl).end()) {cout << *it << endl;++it;}return 0;
}

这里创建智能指针对象是: auto_ptr<类型名> p(new 类型名) ，这里创建的时候不能使用 ’ = ‘，只能使用 ' ( ) ';

auto_ptr是在C++98创建出来的，但是这个智能指针在之后很少被人用。因为它有一个弊端，就是当进行拷贝的时候，该智能指针管理的资源会被 ”抛弃“，另一个智能指针进行接收。也就是如图:

这个模式存在一些弊端。如果我们使用一个容器进行插入操作的时候，插入操作一定会赋值。那么赋值就会导致原本智能指针对象中的资源被转移。

另外， auto_ptr的另一个弊端就是auto_ptr不支持对象数组的操作。所以在C++11出现更好的unique_ptr和share_ptr后，auto_ptr已经很少被使用。

auto_ptr有三个常用接口。 get, release, reset。

三个函数的主要功能

1. get（）

get是获取对象中管理的资源：

2.release

release，是取消对象中管理的资源：

3.reset

reset，是重新分配对象中管理的资源：

auto_ptr的模拟实现:

//首先，对于智能指针来说，他们的模板类名是这样的：

	template<class T>       //模板类， 可以接收T类型的资源class auto_ptr          //智能指针类名{};

//然后，在类里面定义资源类型的指针，用来维护这块资源:

	template<class T>class auto_ptr{private:T* _ptr;          //T类型资源的指针， 用来维护一块资源};

//所有智能指针的构造都是一样的，就是使用一块资源交给智能指针里面的指针变量进行维护。

		auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}

//auto_ptr的拷贝构造，其实就是把一个智能指针管理的资源 “抛弃”，然后另一个智能指针进行接收。至于这样做的弊端，上面已经提到过，这里不赘述。

		auto_ptr(auto_ptr<T>& ptr):_ptr(ptr._ptr) {ptr._ptr = nullptr;}

//最重要的就是智能指针的销毁，销毁时，要将管理的资源一块释放掉，代码如下:

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

//然后智能指针还要像普通指针一样能够进行基本运算——加加，减减，解引用等。那么就要重载这些运算符，如下图:

		T& operator*()           //解引用{return *_ptr;}T* operator->()          //箭头{return _ptr;}auto_ptr<T> operator++() //加加重载{++_ptr;return *this;}

unique_ptr

unique_ptr的用法

unique_ptr相交于auto_ptr更加严谨，它相对于auto_ptr做了一下改变:
两块指针不能指向同一块资源(否则在释放空间时多次释放空间报错)。同时它也不能赋值（注意，右值可以赋值，但是右值赋值后，如果该右值为一个左值临时转化的，那么使用赋值后和auto_ptr的效果一样）

左值赋值：

右值赋值：

要注意的坑点就是不能一块资源给多个对象赋值，不然会报错:

auto_ptr也一样

这是unique_ptr和auto_ptr中使用的坑。后面的share_ptr解决了这个坑点（引用计数）

unique_ptr的模拟实现

有前面auto_ptr的基础，这里unique_ptr的细节不再讲解，只讲解重要的部分:

//首先模板类：

	template<class T>class unique_ptr {private:T* _ptr;      //管理资源};

//然后就是主要的地方， unique_ptr不能进行赋值，所以要将拷贝构造和赋值重载封起来。

	template<class T>class unique_ptr {public:unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr) {}private:unique_ptr(unique_ptr<T>& ) = delete;                    //将拷贝构造删掉unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>& ) = delete;      //将赋值重载删掉private:T* _ptr;};

shared_ptr

shared_ptr的用法

shared_ptr解决了unique_ptr和auto_ptr的排他性， shared_ptr即使多个智能指针指向同一块空间也能正常工作。

shared_ptr采用了引用计数，当一个新的share_ptr指针管理一块资源的时候，引用计数就+1, 当一个shared_ptr指针过期时，引用计数就-1。当一块资源的引用计数到0时，这块资源就可以被释放。

1. use_count() : 获得当前资源的引用计数：

2.conductor: 有多种构造形式——直接赋值一块资源、赋值一块数组资源、传送定制删除器。

定义如下:

//带有定制删除器

template<class U, class D>shared_ptr(U* p, D del)

//普通构造

template<class U>shared_ptr(U* p)

//数组构造

shared_ptr<T[]> p(new T[5]{1, 2, 3, 4, 5});      //据说是C++17后支持, 但是vsC++14也能跑

3.make_shared

make_shared可以用来分配一块空间并且初始化这块空间，效率更加高效。make_shared是一个函数模板，并且需要指定分配资源的类型，如图:

shared_ptr的模拟实现（v1版本）

首先，类名，解引用之类和其他智能指针相差不大，这里不做赘述，然后有区别的就是成员变量以及构造，拷贝，赋值。

首先看成员变量，成员变量需要有一块空间来作为引用计数。

	template<class T>class shared_ptr {private:T* _ptr;int* _pcount;};

*_pcount作为引用计数。

//构造

		//引用计数ptrshared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr) {*_pcount = 1;}

//拷贝构造

		//引用计数地拷贝构造shared_ptr(shared_ptr<T>& ptr) :_ptr(ptr._ptr),_pcount(ptr._pcount){++(*_pcount);}

//析构

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

赋值，这里赋值要先将原本的管理的资源取消托管，那么引用计数就要减一，还要判断引用计数是否为0，为0就要释放资源。

		shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& p) {if (_ptr != p._ptr)          //如果不判断， 当自己给自己赋值的时候， 自己会先将自己的资源释放， 然后就变成了野指针。 自己再给自己赋值一个野指针。 就会报错。{if (--(*_pcount) == 0){delete _ptr;delete _pcount;}//_ptr = p._ptr;_pcount = p._pcount;++(*_pcount);}return *this;}

shared_ptr中的坑

1. 其实， shared_ptr还有一种情况同样具有排他性, 和unique_ptr、auto_ptr一样，当没有调用拷贝构造，而是直接使用构造函数的时候，引用计数不回加一，那么就会多次释放资源。这个无法避免。

2.第二个坑就是循环引用的问题，为了方便观察，我们使用我们自己定义的shared_ptr进行测试，现在看如下一个例子:

#include"share_ptr.h"      //自己写的shared_ptr头文件
struct chicken;            //前置声明struct fish                //定义一个鱼类对象， 里面有一个鸡的智能指针实例
{cws_RAII::shared_ptr<chicken> _chicken;
};struct chicken              //定义一个鸡类对象， 里面有一个鱼的智能指针实例。
{cws_RAII::shared_ptr<fish> _fish;                           
};int main()
{cws_RAII::shared_ptr<fish> f1(new fish);cws_RAII::shared_ptr<chicken> c1(new chicken);(*f1)._chicken = c1;//(*c1)._fish = f1;return 0;
}

在当前状态下，我们如果运行程序， f1的资源和c1的资源可以被释放

但是如过图中(*c1)._fish = f1取消注释，那么f1的资源和c1的资源就不能被释放。

这是为什么？

其实，这就是循环引用的问题。在这里面，如果只定义了f1和c1. 这个时候是这样的:

但是如果给执行两条赋值语句后，就变成了这样:

这个时候当f1和c1的生命周期结束时， f1的_pcount--， c1的_pcount--。这两个_pcount都只能变成1，变不成0，所以不能释放资源。

所以，我们在使用shared_ptr时，要避免交叉赋值的情况。否则会出现内存泄漏。

weak_ptr

weak_ptr是用来解决shared_ptr的循环引用问题。当两个类需要交叉进行赋值的时候，类中所定义的智能指针可以使用weak_ptr(原本使用shared_ptr), 因为weak_ptr不会增加资源的引用计数。

weak_ptr的用法:

weak_ptr本人觉得最重要的一点就是可以和shared_ptr进行相互转化：

int main()
{shared_ptr<fish> f2(new fish);weak_ptr<fish> f3(f2);     //将一个shared_ptr给给f3f3 = f2;                   //将shared_ptr赋值给weak_ptrf2 = f3.lock();            //将一个weak_ptr使用lock接口转化为shared_ptr;                   return 0;
}

同时，还可以构造出一个空指针:


int main()
{weak_ptr<fish> f3;     //构造一个空指针return 0;
}

但是， wear_ptr不支持解引用以及->

weak_ptr也能使用use_count函数查看引用计数:

weak_ptr的模拟实现

	template<class T>class weak_ptr {public://不支持RAII， 也就是不能初始化管理资源weak_ptr(const shared_ptr<T>& ptr) {_ptr = ptr._ptr;		//这里可以将weak_ptr弄成shared_ptr的友元， 就能访问私有_ptr_pcount = ptr._pcount;}weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& ptr) {_ptr = ptr._ptr;_pcount = ptr._pcount;return *this;}int use_count() {return (*_pcount);}T* get() {return _ptr;}private:T* _ptr;int* _pcount;};

shared_ptr中的定制删除器

在shared_ptr中，可以管理一块连续的数组空间，也可以管理一个单独的一块空间。这两种资源类型需要不同的销毁方法。单独的使用delete, 而数组空间需要使用delete[], 库里面的默认是使用delete, 但是如果我们想使用delete[]来销毁一块数组空间。或者我们使用shared_ptr管理一块文件， shared_ptr生命周期结束时关闭文件。那么就需要我们自己传一个定制删除器。

定制删除器是放在如图所示红框框的代码块中:

定制删除器的用法:

如何实现定制删除器？

其实定制删除器就是添加一个模板类，如图:

下面是shared_ptr完整的版本（v2）

	template<class T>class shared_ptr {public://引用计数ptrshared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr) ,_pcount(new int(0)){if (_ptr != nullptr) {*_pcount = 1;}}//引用计数地拷贝构造shared_ptr(shared_ptr<T>& ptr) :_ptr(ptr._ptr),_pcount(ptr._pcount){++(*_pcount);}//添加一个带有定制删除器的构造函数template<class D>     //D就是定制删除器的模板类shared_ptr(T* ptr, D del):_Del(del), _ptr(ptr) {}void destroy() {if (--(*_pcount) == 0) {_Del;      //将定制删除器放在这就好了}}~shared_ptr() {destroy();}//赋值shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& p) {if (_ptr != p._ptr) {destroy();//_ptr = p._ptr;_pcount = p._pcount;++(*_pcount);}return *this;}T* operator->() {return _ptr;}T& operator*() {return *_ptr;}T* _ptr;int* _pcount;function<void(T*)> _Del = [](T*) {delete _Del};};