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C++进阶-智能指针

news 来源：原创 2024/9/20 20:19:16

1. 为什么需要智能指针？

下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么内存方面的问题？提示一下：注意分析MergeSort函数中的问题。

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？// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？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;
}
  1. 如果p1这里new 抛异常会如何？
    在 C++ 中，如果 new 操作符无法分配内存，它会抛出一个 std::bad_alloc 异常。如果 new int 对 p1 的分配失败并抛出异常，那么 p1 不会被成功分配。这个异常会被传递到 Func 的调用者，也就是 main 函数。
    由于 p1 没有成功分配，所以 p2 也不会被分配，div() 也不会被调用。异常会被 main 函数中的 catch 块捕获，异常信息会被打印出来。
  2. 如果p2这里new 抛异常会如何？
    如果 p2 的分配失败，std::bad_alloc 异常将会被抛出。在这种情况下，p1 已经被分配了（如果 p1 的分配成功的话）。但是，由于 p2 的 new int 操作失败，Func 函数会因异常而提前退出。delete p1 语句不会被执行，因为异常阻止了正常的程序流程到达那一点。程序会跳转到 main 函数中的 catch 块来处理异常。
  3. 如果div调用这里又会抛异常会如何？
    如果 div() 抛出异常，程序的控制流程会被中断。结果是：
    delete p1 和 delete p2 语句不会被执行，因为异常阻止了正常的程序流程。
    异常会被传递回 main 函数。main 函数中的 catch 块会捕获异常并打印错误信息。

2. 内存泄漏

2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：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。
内存泄漏的危害：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;
}

2.2 内存泄漏分类（了解）

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

  1. 堆内存泄漏(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。
  2. 系统资源泄漏
    指程序使用系统分配的资源，比方套接字、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

2.3 如何检测内存泄漏（了解）

在linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具
在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
其他工具：内存泄漏工具比较

2.4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。需要下一条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。

总结一下:
内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄
漏检测工具。

3.智能指针的使用及原理

3.1 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：

  • 不需要显式地释放资源。
  • 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效
 RAII
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr
{
public:// 构造SmartPtr(T*ptr=nullptr):_ptr(ptr){}// 析构~SmartPtr(){delete[] _ptr;// 释放数组空间cout << "delete:" << _ptr << endl;}// 获得原生地址T* get(){return _ptr;}// * 解引用T& operator*(){return *_ptr;}// -> 解引用T* operator->(){return _ptr;}// []T& operator[](size_t i){return _ptr[i];}private:T* _ptr;
};double Division(int a, int b)
{if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
// 15:55继续
void Func()
{SmartPtr<int> sp1(new int[10]);SmartPtr<int> sp2(new int[20]);int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;
}int main()
{SmartPtr<int> sp1(new int[10]);try{Func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

无论是正常结构还是，抛异常出作用域都会自动释放，这可以保护在new的时候抛异常等情况。

但是这种结构也会导致问题存在，请看下面的代码

int main()
{SmartPtr<int> sp1(new int[10]);SmartPtr<int> sp2(sp1);int* p1 = new int[10];int* p2 = p1;return 0;
}

由于采用默认拷贝构造，sp1和sp2都会指向同一份空间，最终运行完程序时，会导致同一份空间析构两次。
为了解决这种问题，我们引入了智能指针的其他形式。

3.2 智能指针的原理

总结一下智能指针的原理：

  1. RAII特性
  2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。
  3. 智能指针包含的头文件是memory

3.3 std::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bit::auto_ptr来了解它的原
理

// C++98 管理权转移 auto_ptr
namespace bit
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr){// 管理权转移sp._ptr = nullptr;}auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap){// 检测是否为自己给自己赋值if (this != &ap){// 释放当前对象中资源if (_ptr)delete _ptr;// 转移ap中资源到当前对象中_ptr = ap._ptr;ap._ptr = NULL;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}int main()
{auto_ptr<int> sp1(new int(1));// C++98 转移管理权，sp1对象悬空auto_ptr<int> sp2(sp1);*sp1 += 1;return 0;
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

拷贝构造时，转移管理权，但是sp1是左值，会导致sp1对象悬空，不建议使用

3.4 std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理

class A
{
public:/*A(int a1, int a2):_a1(a1), _a2(a2){}*/~A(){cout << "~A()" << endl;}//private:int _a1 = 1;int _a2 = 1;
};int main()
{// new[]对象会自动调用delete[],A[]相当于创建数组的对象unique_ptr<A[]> sp1(new A[10]);//unique_ptr<A> sp2(sp1);// 不能进行拷贝A* p = sp1.get();cout << p << endl;return 0;
}

不支持拷贝，没有风险，建议使用
支持operator bool

3.5 std::shared_ptr

3.5.1 shared_ptr的认识

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，否则其他对象就成野指针了。
namespace lc
{template<class T>class shared_ptr{public:// 构造函数shared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr), _pcount(new int(1))/*,_pcount(new atomic<int>(1))*/{}// 拷贝构造// sp2(sp1)shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount){// 计数++(*_pcount)++;}// sp1 = sp3shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){// 判断是否是两个指向相同资源的指针赋值if (_ptr != sp._ptr){// 判断是否释放空间this->release();_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;// 计数++(*_pcount)++;}return *this;}// 释放空间void release(){// 判断计数是否为最后一个if (--(*_pcount) == 0){// 最后一个管理的对象，释放资源delete _ptr;delete _pcount;}}// 析构函数~shared_ptr(){release();}// 返回计数个数int use_count(){return *_pcount;}// *解引用T& operator*(){return *_ptr;}// ->解引用T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;//static int _count;// 静态成员属于整个类，属于所有的成员，当定义多个成员时，会导致问题int* _pcount;// 运用指针,一个资源配对一个计数//atomic<int>* _pcount;// 采用原子型的对象};
}
int main()
{lc::shared_ptr<A> sp1(new A(1, 1));lc::shared_ptr<A> sp2(sp1);cout << sp1.use_count() << endl;lc::shared_ptr<A> sp3(new A(2, 2));lc::shared_ptr<A> sp4(sp3);lc::shared_ptr<A> sp5(sp4);cout << sp3.use_count() << endl;sp1 = sp3;sp2 = sp3;lc::shared_ptr<A> sp6(new A(3, 3));sp6 = sp6;sp3 = sp4;return 0;
}

3.5.2 std::shared_ptr的线程安全问题

通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

  1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以智能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
  2. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。

在线程中上面也会有缺陷，请看下面程序

// 智能指针对象本身拷贝析构是线程安全的
// 底层引用计数加减是线程安全的
// 指向的资源访问不是线程安全的
void func(lc::shared_ptr<list<int>> sp, int n)
{cout << sp.use_count() << endl;for (int i = 0; i < n; i++){lc::shared_ptr<list<int>> copy1(sp);lc::shared_ptr<list<int>> copy2(sp);lc::shared_ptr<list<int>> copy3(sp);mtx.lock();sp->emplace_back(i);mtx.unlock();}
}int main()
{lc::shared_ptr<list<int>> sp1(new list<int>);cout << sp1.use_count() << endl;thread t1(func, sp1, 1000000);thread t2(func, sp1, 2000000);t1.join();t2.join();cout << sp1->size() << endl;cout << sp1.use_count() << endl;return 0;
}

这里是引用
由于多线程运行程序，保证引用计数的线程安全
智能指针对象本身拷贝析构是线程安全的
底层引用计数加减是线程安全的
指向的资源访问不是线程安全的

所以要用原子atomic来解决

namespace lc
{template<class T>class shared_ptr{public:// 构造函数shared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr)//, _pcount(new int(1)),_pcount(new atomic<int>(1)){}// 拷贝构造// sp2(sp1)shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount){// 计数++(*_pcount)++;}// sp1 = sp3shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){// 判断是否是两个指向相同资源的指针赋值if (_ptr != sp._ptr){// 判断是否释放空间this->release();_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;// 计数++(*_pcount)++;}return *this;}// 释放空间void release(){// 判断计数是否为最后一个if (--(*_pcount) == 0){// 最后一个管理的对象，释放资源delete _ptr;delete _pcount;}}// 析构函数~shared_ptr(){release();}// 返回计数个数int use_count(){return *_pcount;}// *解引用T& operator*(){return *_ptr;}// ->解引用T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;//static int _count;// 静态成员属于整个类，属于所有的成员，当定义多个成员时，会导致问题//int* _pcount;// 运用指针,一个资源配对一个计数atomic<int>* _pcount;// 采用原子型的对象};}

3.5.3 std::shared_ptr的循环引用

struct ListNode
{int _data;shared_ptr<ListNode> _prev;shared_ptr<ListNode> _next;~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;
}

没有进行析构函数
在这里插入图片描述

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。
  5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
  6. 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
    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。

运用weak_ptr来解决循环引用

struct Node
{/*std::shared_ptr<Node> _next;std::shared_ptr<Node> _prev;*/std::weak_ptr<Node> _next;std::weak_ptr<Node> _prev;int _val;~Node(){cout << "~Node()" << endl;}
};int main()
{std::shared_ptr<Node> p1(new Node);std::shared_ptr<Node> p2(new Node);cout << p1.use_count() << endl;cout << p2.use_count() << endl;p1->_next = p2;p2->_prev = p1;cout << p1.use_count() << endl;cout << p2.use_count() << endl;cout << p1->_next.use_count() << endl;cout << p2->_prev.use_count() << endl;std::weak_ptr<int> wp1;{shared_ptr<int> sp2(new int);wp1 = sp2;cout << wp1.expired() << endl;}cout << wp1.expired() << endl;return 0;
}

weak_ptr中没有没有引用
解决循环引用，不增加引用计数
weak_ptr：不支持RAII，不单独管理资源
这里是引用

3.6 定制删除器

在模拟实现的shared_ptr中，在加上定制删除器，处理释放不同类型的资源空间

#include <atomic>   // For std::atomic
#include <functional> // For std::function
namespace lc
{template<class T>class shared_ptr{public:// 构造函数shared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr)//, _pcount(new int(1)),_pcount(new atomic<int>(1)){}// 定制删除器template<class D>shared_ptr(T* ptr, D del): _ptr(ptr), _pcount(new atomic<int>(1)), _del(del){}// 拷贝构造// sp2(sp1)shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount){// 计数++(*_pcount)++;}// sp1 = sp3shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){// 判断是否是两个指向相同资源的指针赋值if (_ptr != sp._ptr){// 判断是否释放空间this->release();_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;// 计数++(*_pcount)++;}return *this;}// 释放空间void release(){// 判断计数是否为最后一个if (--(*_pcount) == 0){// 最后一个管理的对象，释放资源//delete _ptr;_del(_ptr);// 调用删除器进行删除delete _pcount;}}// 析构函数~shared_ptr(){release();}// 返回计数个数int use_count(){return *_pcount;}// *解引用T& operator*(){return *_ptr;}// ->解引用T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;//static int _count;// 静态成员属于整个类，属于所有的成员，当定义多个成员时，会导致问题//int* _pcount;// 运用指针,一个资源配对一个计数atomic<int>* _pcount;// 采用原子型的对象function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };// 定制删除器};}
#include<functional>
class A
{
public:A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}~A(){cout << "~A()" << endl;}private:int _a1 = 1;int _a2 = 1;
};template<class T>
struct FreeFunc {void operator()(T* ptr){cout << "free:" << ptr << endl;free(ptr);}
};// 定制删除器
int main()
{//std::shared_ptr<A[]> sp1(new A[10]);lc::shared_ptr<A> sp1(new A[10], [](A* ptr) {delete[] ptr; });lc::shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), FreeFunc<int>());lc::shared_ptr<FILE> sp3(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* ptr) {fclose(ptr); });lc::shared_ptr<A> sp4(new A);return 0;
}

这里是引用

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