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C++Smart?Pointer?智能指針詳解_C 語言

作者:山頂夕景 ? 更新時間: 2022-05-16 編程語言

一、為啥使用智能指針呢

標準庫中的智能指針:
std::auto_ptr    --single ownership  (C++98中出現,缺陷較多,被摒棄)
std::unique_ptr  --single ownership  (C++11替代std::auto_ptr,用于單線程)
std::shared_ptr  --shared ownership  (C++11,用于多線程)
std::weak_ptr    --temp/no ownership (C++11)
Introduced in C++ 11
Defined in  header.

首先看一個下面的栗子,左邊是木有使用智能指針的情況,當執行foo()函數,其中的e指針會在bar(e)時傳入bar函數,但是在bar函數結束后沒有人為delete e時,就會導致內存泄漏;但是在右邊的栗子中,使用了unique_ptr智能指針(single ownership),就能防止內存泄漏。

在這里插入圖片描述

智能指針主要用于管理在堆上分配的內存,它將普通的指針封裝為一個棧對象。當棧對象的生存周期結束后,會在析構函數中釋放掉申請的內存,從而防止內存泄漏。

  • auto_ptr智能指針:(C++11出來前只有這種智能指針)當對象拷貝或者賦值后,前面的對象就懸空了。
  • unique_ptr智能指針:防止智能指針拷貝和復制。
  • shared_ptr智能指針:通過引用計數的方式來實現多個shared_ptr對象之間共享資源。
  • weak_ptr智能指針:可以從一個shared_ptr或另一個weak_ptr對象構造,它的構造和析構不會引起引用記數的增加或減少。

注意:每一種智能指針都可以增加內存的引用計數。

  • 智能指針分為兩類:
    • 一種是可以使用多個智能指針管理同一塊內存區域,每增加一個智能指針,就會增加1次引用計數,
    • 另一類是不能使用多個智能指針管理同一塊內存區域,通俗來說,當智能指針2來管理這一塊內存時,原先管理這一塊內存的智能指針1只能釋放對這一塊指針的所有權(ownership)。
  • 按照這個分類標準,auto_ptr?unique_ptr?weak_ptr屬于后者,shared_ptr屬于前者。

shared_ptr進行初始化時不能將一個普通指針直接賦值給智能指針,因為一個是指針,一個是類??梢酝ㄟ^make_shared函數或者通過構造函數傳入普通指針。并可以通過get函數獲得普通指針。

#include 
#include 
using namespace std;
class report
{
private:
    string str;
public:
    report(const string s):str(s) //構造方法
    {
        cout<<"1 report Object  has been build!"< ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    {
        shared_ptr ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    {
        unique_ptr ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    return 0;
}

在這里插入圖片描述

二、shared_ptr智能指針

shared_ptr實現了共享擁有的概念,利用“引用計數”來控制堆上對象的生命周期。

share_ptr的生命周期:

在這里插入圖片描述

原理:在初始化的時候引用計數設為1,每當被拷貝或者賦值的時候引用計數+1,析構的時候引用計數-1,直到引用計數被減到0,那么就可以delete掉對象的指針了。他的構造方式主要有以下三種:

shared_ptr ptr;
shared_ptr ptr(new Object);
shared_ptr ptr(new Object, [=](Object *){ //回收資源時調用的函數 });
auto ptr = make_shared(args);

  • 第一種空構造,沒有指定shared_ptr管理的堆上對象的指針,所以引用計數為0,后期可以通過reset()成員函數來指定其管理的堆上對象的指針,reset()之后引用計數設為1。
  • 第二種是比較常見的構造方式,構造函數里面可以放堆上對象的指針,也可以放其他的智能指針(如weak_ptr)。
  • 第三種構造方式指定了shared_ptr在析構自己所保存的堆上對象的指針時(即引用計數為0時)所要調用的函數,這說明我們可以自定義特定對象的特定析構方式。同樣的,reset()成員函數也可以指定析構時調用的指定函數。
  • 第四種方法:較常見,構造shared_ptr的方式(最安全):
auto ptr = make_shared(args);

上面第四種方法,使用標準庫里邊的make_shared<>()模板函數。該函數會調用模板類的構造方法,實例化一個堆上對象,然后將保存了該對象指針的shared_ptr返回。參數是該類構造函數的參數,所以使用make_shared<>()就好像單純地在構造該類對象一樣。auto是C++11的一個關鍵字,可以在編譯期間自動推算變量的類型,在這里就是shared_ptr類型。

在這里插入圖片描述

shared_ptr的其他成員函數:

use_count()	//返回引用計數的個數
unique()	//返回是否是獨占所有權(use_count是否為1)
swap()		//交換兩個shared_ptr對象(即交換所擁有的對象,引用計數也隨之交換)
reset()		//放棄內部對象的所有權或擁有對象的變更, 會引起原有對象的引用計數的減少

三、unique_ptr智能指針

注意unique_ptr是single ownership的,不能拷貝。其構造方式如下:

在這里插入圖片描述

unique_ptr的生命周期:

在這里插入圖片描述

四、weak_ptr智能指針

在這里插入圖片描述

五、智能指針怎么解決交叉引用,造成的內存泄漏

結論:創建對象時使用shared_ptr強智能指針指向,其余情況都使用weak_ptr弱智能指針指向。

5.1 交叉引用的栗子:

當A類中有一個指向B類的shared_ptr強類型智能指針,B類中也有一個指向A類的shared_ptr強類型智能指針。

main函數執行后有兩個強智能指針指向了對象A,對象A的引用計數為2,B類也是:

#include 
#include 
using namespace std;
class B;
class A{
public:
    shared_ptr _bptr;
};
class B{
public:
    shared_ptr _aptr;
};
int main(){
    shared_ptr aptr(new A());
    shared_ptr bptr(new B());
    aptr->_bptr = bptr;
    bptr->_aptr = aptr;
    return 0;
}

在這里插入圖片描述

而當主函數mainreturn返回后,對象A的引用計數減一變為1(aptr沒指向A對象了),B對象也是,引用計數不為0,即不能析構2個對象釋放內存,造成內存泄漏。

5.2 解決方案

將類A和類B中的shared_ptr強智能指針都換成weak_ptr弱智能指針;

class A{
public:
    weak_ptr _bptr;
};
class B{
public:
    weak_ptr _aptr;
};

weak_ptr弱智能指針,雖然有引用計數,但實際上它并不增加計數,而是只觀察對象的引用計數。所以此時對象A的引用計數只為1,對象B的引用計數也只為1。

在這里插入圖片描述

六、智能指針的注意事項

  • 避免同一塊內存綁定到多個獨立創建的shared_ptr上,因此要不使用相同的內置指針初始化(或reset)多個智能指針,不要混合使用智能指針和普通指針,堅持只用智能指針。
  • 不delete get() 函數返回的指針,因為這樣操作后,shared_ptr并不知道它管理的內存被釋放了,會造成shared_ptr重復析構。
  • 不使用 get()函數初始化或(reset)另外的智能指針。
shared_ptr p = make_share (42);
int *q = p.get();
{
  shared_ptr(q); 
} // 程序塊結束,q被銷毀,指向的內存被釋放。
int foo = *p; //  出錯,p指向的內存已經被q釋放,這是用get() 初始化另外的智能指針惹得禍。
// 請記住,永遠不要用get初始化另外一個智能指針。

能使用unique_ptr時就不要使用share_ptr指針(后者需要保證線程安全,所以在賦值or銷毀時overhead開銷更高)。

總結

原文鏈接:https://blog.csdn.net/qq_35812205/article/details/123270095