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C++智能指針之shared_ptr詳解_C 語言

作者：暮光629 ? 更新時間： 2022-05-27 編程語言

共享指針的初始化方式

1.裸指針直接初始化，但不能通過隱式轉換來構造

2.允許移動構造，也允許拷貝構造

3.通過make_shared構造

例：

#include <iostream>
#include <memory>
class Frame {};
int main()
{
  std::shared_ptr<Frame> f(new Frame());              // 裸指針直接初始化
  std::shared_ptr<Frame> f1 = new Frame();            // Error，explicit禁止隱式初始化
  std::shared_ptr<Frame> f2(f);                       // 拷貝構造函數
  std::shared_ptr<Frame> f3 = f;                      // 拷貝構造函數
  f2 = f;                                             // copy賦值運算符重載
  std::cout << f3.use_count() << " " << f3.unique() << std::endl;
  std::shared_ptr<Frame> f4(std::move(new Frame()));        // 移動構造函數
  std::shared_ptr<Frame> f5 = std::move(new Frame());       // Error，explicit禁止隱式初始化
  std::shared_ptr<Frame> f6(std::move(f4));                 // 移動構造函數
  std::shared_ptr<Frame> f7 = std::move(f6);                // 移動構造函數
  std::cout << f7.use_count() << " " << f7.unique() << std::endl;
  std::shared_ptr<Frame[]> f8(new Frame[10]());             // Error，管理動態數組時，需要指定刪除器
  std::shared_ptr<Frame> f9(new Frame[10](), std::default_delete<Frame[]>());
  auto f10 = std::make_shared<Frame>();               // std::make_shared來創建
  return 0;
}

注意：

1.盡量避免將一個裸指針傳遞給std::shared_ptr的構造函數，常用的替代手法是使用std::make_shared。如果必須將一個裸指針傳遞給shared_ptr的構造函數，就直接傳遞new運算符的結果，而非傳遞一個裸指針變量。
2.不要將this指針返回給shared_ptr。當希望將this指針托管給shared_ptr時，類需要繼承自std::enable_shared_from_this，并且從shared_from_this()中獲得shared_ptr指針。
3.不要使用相同的原始指針作為實參來創建多個shared_ptr對象，具體原因見下面講的shared_ptr內存模型。可以使用拷貝構造或者直接使用重載運算符=進行操作

例：

#include <iostream>
#include <memory>
class Frame {};
int main()
{
  Frame* f1 = new Frame();
  std::shared_ptr<Frame> f2(f1);
  std::shared_ptr<Frame> f3(f1);          // Error
  std::shared_ptr<Frame> f4(f2);
  auto f5 = f2;
  return 0;
}

常用成員函數

s.get()：返回shared_ptr中保存的裸指針；

s.reset(…)：重置shared_ptr；

  • reset( )不帶參數時，若智能指針s是唯一指向該對象的指針，則釋放，并置空。若智能指針P不是唯一指向該對象的指針，則引用計數減少1，同時將P置空。
  • reset( )帶參數時，若智能指針s是唯一指向對象的指針，則釋放并指向新的對象。若P不是唯一的指針，則只減少引用計數，并指向新的對象。如：
auto s = make_shared<int>(100);
s.reset(new int (200));

s.use_count()：返回shared_ptr的強引用計數；

s.unique()：若use_count()為1，返回true，否則返回false。

具體實例：

auto pointer = std::make_shared<int>(10);
auto pointer2 = pointer; // 引用計數+1
auto pointer3 = pointer; // 引用計數+1
int *p = pointer.get(); // 這樣不會增加引用計數
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3
pointer2.reset();
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 reset
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2
pointer3.reset();
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset

shared_ptr內存模型

在這里插入圖片描述

由圖可以看出，shared_ptr包含了一個指向對象的指針和一個指向控制塊的指針。每一個由shared_ptr管理的對象都有一個控制塊，它除了包含強引用計數、弱引用計數之外，還包含了自定義刪除器的副本和分配器的副本以及其他附加數據。

控制塊的創建規則

  • std::make_shared總是創建一個控制塊；
  • 從具備所有權的指針出發構造一個std::shared_ptr時，會創建一個控制塊(如std::unique_ptr轉為shared_ptr時會創建控制塊，因為unique_ptr本身不使用控制塊，同時unique_ptr置空)；
  • 當std::shared_ptr構造函數使用裸指針作為實參時，會創建一個控制塊。這意味從同一個裸指針出發來構造不止一個std::shared_ptr時會創建多重的控制塊，也意味著對象會被析構多次。如果想從一個己經擁有控制塊的對象出發創建一個std::shared_ptr，可以傳遞一個shared_ptr或weak_ptr而非裸指針作為構造函數的實參，或者直接使用重載運算符=，這樣則不會創建新的控制塊。

因此，更好的解決方式是盡量避免使用裸指針作為共享指針的實參，而是使用make_shared，此外，make_shared相比直接new還具有以下好處

make_shared的優缺點

優點

  • 避免代碼冗余：創建智能指針時，被創建對象的類型只需寫1次，而用new創建智能指針時，需要寫2次；
  • 異常安全：make系列函數可編寫異常安全代碼，改進了new的異常安全性；
  • 提升性能：編譯器有機會利用更簡潔的數據結構產生更小更快的代碼。使用make_shared時會一次性進行內存分配，該內存單塊(single chunck)既保存了T對象又保存與其相關聯的控制塊。而直接使用new表達式，除了為T分配一次內存，還要為與其關聯的控制塊再進行一次內存分配。

make_shared與new方式內存分布對比圖：

在這里插入圖片描述

缺點

  • 所有的make系列函數都不允許自定義刪除器；
  • make系列函數創建對象時，不能接受{}初始化列表(這是因為完美轉發的轉發函數是個模板函數，它利用模板類型進行推導。因此無法將{}推導為initializer_list)。換言之，make系列只能將圓括號內的形參完美轉發；
  • **自定義內存管理的類(如重載了operator new和operator delete)，不建議使用make_shared來創建。**因為：重載operator new和operator delete時，往往用來分配和釋放該類精確尺寸(sizeof(T))的內存塊；而make_shared創建的shared_ptr，是一個自定義了分配器(std::allocate_shared)和刪除器的智能指針，由allocate_shared分配的內存大小也不等于上述的尺寸，而是在此基礎上加上控制塊的大小；
  • 對象的內存可能無法及時回收。因為：make_shared只分配一次內存，減少了內存分配的開銷，使得控制塊和托管對象在同一內存塊上分配。而控制塊是由shared_ptr和weak_ptr共享的，因此兩者共同管理著這個內存塊(托管對象+控制塊)。當強引用計數為0時，托管對象被析構(即析構函數被調用)，但內存塊并未被回收，只有等到最后一個weak_ptr離開作用域時，弱引用也減為0才會釋放這塊內存塊。原本強引用減為0時就可以釋放的內存, 現在變為了強引用和弱引用都減為0時才能釋放, 意外的延遲了內存釋放的時間。這對于內存要求高的場景來說, 是一個需要注意的問題。

引用計數

  • shared_ptr中的引用計數直接關系到何時是否進行對象的析構，因此它的變動尤其重要。
  • shared_ptr的**構造函數會使該引用計數遞增，而析構函數會使該計數遞減。**但移動構造表示從一個己有的shared_ptr移動構造到一個新的shared_ptr。這意味著一旦新的shared_ptr產生后，原有的shared_ptr會被置空，其結果是引用計數沒有變化；
  • 拷貝賦值操作同時執行兩種操作(如sp1和sp2是指向不同對象的shared_ptr，則執行sp1=sp2時，將修改sp1使得其指向sp2所指的對象。而最初sp1所指向的對象的引用計數遞減，同時sp2所指向的對象引用計數遞增)；
  • reset函數，如果不帶參數時，則引用計數減1。如果帶參數時，如sp.reset( p )則sp原來指向的對象引用計數減1，同時sp指向新的對象( p )；
  • 如果實施一次遞減后最后的引用計數變成0，即不再有shared_ptr指向該對象，則會被shared_ptr析構掉；
  • 引用計數的遞增和遞減是原子操作，即允許不同線程并發改變引用計數。

比較運算符

所有比較運算符都會調用共享指針內部封裝的原始指針的比較運算符；支持==、!=、<、<=、>、>=；同類型的共享指針才能使用比較運算符

shared_ptr<int> sp_n1 = make_shared<int>(1);
shared_ptr<int> sp_n2 = make_shared<int>(2);
shared_ptr<int> sp_nu;
shared_ptr<double> sp_d1 = 
    make_shared<double>(1);
bool bN1LtN2 = sp_n1 < sp_n2;  //true
bool bN1GtNu = sp_n1 > sp_nu;  //true
bool bNuEqNu = sp_nu == sp_nu; //true
bool bN2GtD1 = sp_d1 < sp_n2;  //編譯錯誤

總結

原文鏈接：https://blog.csdn.net/muguang629/article/details/123665583

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