【C++ 学习 ㊱】- 智能指针详解

目录

一、为什么需要智能指针？

二、智能指针的原理及使用

三、auto_ptr

3.1 - 基本使用

3.2 - 模拟实现

四、unique_ptr

4.1 - 基本使用

4.2 - 模拟实现

五、shared_ptr

5.1 - 基本使用

5.2 - 模拟实现

六、weak_ptr

6.1 - shared_ptr 的循环引用问题

6.2 - 模拟实现

七、定制删除器

一、为什么需要智能指针？

问题引入：

#include <iostream>
using namespace std;
​
int division(int x, int y)
{if (y == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn x / y;
}
​
void func()
{string* p1 = new string("hello");pair<string, string>* p2 = new pair<string, string>{ "hello", "你好" };
​int a = 0, b = 0;cin >> a >> b;cout << division(a, b) << endl;
​delete p1;delete p2;
}
​
int main()
{try {func();}catch (const char* errmsg) {cout << errmsg << endl;}catch (...) {cout << "Unknow exception" << endl;}return 0;
}

调用 func 函数：

  1. 如果在执行 string* p1 = new string("hello"); 语句的过程中抛出了异常，那么在 main 函数中会捕获到抛出的异常；

  2. 如果在执行 pair<string, string>* p2 = new pair<string, string>{ "hello", "你好" }; 语句的过程中抛出了异常，那么在 main 函数中会捕获到抛出的异常，但是 p1 指向的动态分配的内存没有被释放，最终会造成内存泄漏；

  3. 如果在调用 division(a, b) 函数的过程中抛出了异常，那么在 main 函数中会捕获到抛出的异常，但是 p1 以及 p2 指向的动态分配的内存都没有被释放，最终也会造成内存泄漏。

二、智能指针的原理及使用

RAII（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化）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，对资源的访问在对象生命周期内始终有效；在对象析构时，即对象生命周期结束时，释放资源。

SmartPtr.h：

#pragma once
​
namespace yzz
{template<class T>class SmartPtr{public:SmartPtr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr) { }
​~SmartPtr(){if (_ptr){delete _ptr;_ptr = nullptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}
​T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

test.cpp：

#include <iostream>
#include "SmartPtr.h"
using namespace std;
​
int division(int x, int y)
{if (y == 0)throw "Division by zero condition!";elsereturn x / y;
}
​
void func()
{yzz::SmartPtr<string> sp1 = new string("hello");cout << *sp1 << endl;
​yzz::SmartPtr<pair<string, string>> sp2 = new pair<string, string>{ "hello", "你好"};cout << (*sp2).first << " : " << (*sp2).second << endl;cout << sp2->first << " : " << sp2->second << endl;  // 为了可读性，编译器将 sp2->->first/second 优化成了 sp2->first/second
​int a = 0, b = 0;cin >> a >> b;cout << division(a, b) << endl;// 在 func 函数中，无论有没有异常抛出，// func 函数结束后，都会自动调用 sp1 以及 sp2 对象的析构函数释放动态分配的内存，// 不再需要手动 delete
}
​
int main()
{try {func();}catch (const char* errmsg) {cout << errmsg << endl;}catch (...) {cout << "Unknow exception" << endl;}return 0;
}

三、auto_ptr

C++98/03 标准中提供了 auto_ptr 智能指针。

3.1 - 基本使用

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
​
class A
{
public:A(int x = 0) : _i(x){cout << "A(int x = 0)" << endl;}
​~A(){cout << "~A()" << endl;}
​int _i;
};
​
int main()
{auto_ptr<A> ap1(new A(1));auto_ptr<A> ap2(new A(2));
​auto_ptr<A> ap3(ap1);  // 管理权转移auto_ptr<A> ap4(new A(4));ap4 = ap2;  // 管理权转移
​// cout << ap1->_i << endl;  // error// cout << ap2->_i << endl;  // errorcout << ap3->_i << endl;  // 1cout << ap4->_i << endl;  // 2return 0;
}

3.2 - 模拟实现

namespace yzz
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr){ }
​~auto_ptr(){if (_ptr){delete _ptr;_ptr = nullptr;}}
​auto_ptr(auto_ptr<T>& ap): _ptr(ap._ptr){ap._ptr = nullptr;}
​auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap){if (this != &ap){if (_ptr)delete _ptr;
​_ptr = ap._ptr;ap._ptr = nullptr;}return *this;}
​T& operator*(){return *_ptr;}
​T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

四、unique_ptr

C++11 标准废弃了 auto_ptr，新增了 unique_ptr、shared_ptr 以及 weak_ptr 这三个智能指针。

4.1 - 基本使用

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
​
class A
{
public:A(int x = 0) : _i(x){cout << "A(int x = 0)" << endl;}
​~A(){cout << "~A()" << endl;}
​int _i;
};
​
int main()
{unique_ptr<A> up1(new A(1));unique_ptr<A> up2(new A(2));
​// unique_ptr<A> up3(up1);  // errorunique_ptr<A> up4(new A(4));// up4 = up2;  // errorreturn 0;
}

4.2 - 模拟实现

从上面的例子中可以看出，unique_ptr 的实现原理就是简单粗暴的防拷贝。

namespace yzz
{template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr){ }
​~unique_ptr(){if (_ptr){delete _ptr;_ptr = nullptr;}}
​unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;
​T& operator*(){return *_ptr;}
​T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

五、shared_ptr

5.1 - 基本使用

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
​
class A
{
public:A(int x = 0) : _i(x){cout << "A(int x = 0)" << endl;}
​~A(){cout << "~A()" << endl;}
​int _i;
};
​
int main()
{shared_ptr<A> sp1(new A(1));shared_ptr<A> sp2(new A(2));cout << sp1.use_count() << endl;  // 1cout << sp2.use_count() << endl;  // 1cout << "-------------" << endl;
​shared_ptr<A> sp3(sp1);cout << sp1.use_count() << endl;  // 2cout << sp3.use_count() << endl; // 2sp3->_i *= 10;cout << sp1->_i << endl;  // 10cout << sp3->_i << endl;  // 10cout << "-------------" << endl;
​shared_ptr<A> sp4(new A(4));sp4 = sp2;cout << sp2.use_count() << endl;  // 2cout << sp4.use_count() << endl; // 2sp4->_i *= 10;cout << sp2->_i << endl;  // 20cout << sp4->_i << endl;  // 20return 0;
}

5.2 - 模拟实现

shared_ptr 的实现原理：通过引用计数的方式实现多个 shared_ptr<T> 类对象之间共享资源。

引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成 1，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加 1，当某个对象被销毁时，先给该计数减 1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为 0，说明该对象是资源的最后一个使用者，于是将资源释放，否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。

namespace yzz
{template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr), _pCnt(new int(1)){ }
​~shared_ptr(){if (--(*_pCnt) == 0){if (_ptr){delete _ptr;_ptr = nullptr;}delete _pCnt;}}
​shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp): _ptr(sp._ptr), _pCnt(sp._pCnt){++(*_pCnt);}
​shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr){if (--(*_pCnt) == 0){if (_ptr)delete _ptr;
​delete _pCnt;}
​_ptr = sp._ptr;_pCnt = sp._pCnt;++(*_pCnt);}return *this;}
​T& operator*(){return *_ptr;}
​T* operator->(){return _ptr;}
​int use_count() const{return *_pCnt;}
​T* get() const{return _ptr;}private:T* _ptr;int* _pCnt;};
}

 

六、weak_ptr

6.1 - shared_ptr 的循环引用问题

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
​
class A
{
public:A(int x = 0) : _i(x){cout << "A(int x = 0)" << endl;}
​~A(){cout << "~A()" << endl;}
​int _i;
};
​
struct ListNode
{A _val;shared_ptr<ListNode> _prev;shared_ptr<ListNode> _next;
};
​
int main()
{shared_ptr<ListNode> sp1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> sp2(new ListNode);// A(int x = 0)// A(int x = 0)cout << sp1.use_count() << endl;  // 1cout << sp2.use_count() << endl;  // 1
​sp1->_next = sp2;sp2->_prev = sp1;cout << sp1.use_count() << endl;  // 2cout << sp2.use_count() << endl;  // 2// 出现内存泄漏问题return 0;
}

解决方案：

#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
​
class A
{
public:A(int x = 0) : _i(x){cout << "A(int x = 0)" << endl;}
​~A(){cout << "~A()" << endl;}
​int _i;
};
​
struct ListNode
{A _val;// weak_ptr 不增加引用计数，并且在可以访问资源的同时，不参与释放资源weak_ptr<ListNode> _prev;weak_ptr<ListNode> _next;
};int main()
{shared_ptr<ListNode> sp1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> sp2(new ListNode);// A(int x = 0)// A(int x = 0)cout << sp1.use_count() << endl;  // 1cout << sp2.use_count() << endl;  // 1sp1->_next = sp2;sp2->_prev = sp1;cout << sp1.use_count() << endl;  // 1cout << sp2.use_count() << endl;  // 1// ~A()// ~A()return 0;
}

6.2 - 模拟实现

namespace yzz
{template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr() : _ptr(nullptr){ }
​weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp): _ptr(sp.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;};
}

七、定制删除器

template<class T>
struct DeleteArrayFunc
{void operator()(T* ptr){delete[] ptr;}
};
​
template<class T>
struct FreeFunc
{void operator()(T* ptr){free(ptr);}
};
​
int main()
{shared_ptr<A> sp1(new A(1));  // ok
​// shared_ptr<A> sp2(new A[5]);   // errorshared_ptr<A> sp2(new A[5], DeleteArrayFunc<A>());   // ok
​// shared_ptr<A> sp3((A*)malloc(sizeof(A)));  // errorshared_ptr<A> sp3((A*)malloc(sizeof(A)), FreeFunc<A>());  // ok
​// shared_ptr<FILE> sp4(fopen("test.cpp", "r"));  // errorshared_ptr<FILE> sp4(fopen("test.cpp", "r"), [](FILE* fp) { fclose(fp); });  // errorreturn 0;
}

shared_ptr 的模拟实现：

#include <functional>
​
namespace yzz
{template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr), _pCnt(new int(1)), _del([](T* ptr) { delete ptr; }){ }
​template<class D>shared_ptr(T* ptr, D del): _ptr(ptr), _pCnt(new int(1)), _del(del){ }
​~shared_ptr(){if (--(*_pCnt) == 0){if (_ptr){_del(_ptr);_ptr = nullptr;}delete _pCnt;}}// ... ...private:T* _ptr;int* _pCnt;std::function<void(T*)> _del;};
}

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