融会贯通C++智能指针教程

一、基础知识介绍

裸指针常出现以下几个问题:

  1. 忘记释放资源,导致资源泄露(常发生内存泄漏问题)
  2. 同一资源释放多次,导致释放野指针,程序崩溃
  3. 写了释放资源的代码,但是由于程序逻辑满足条件,执行中间某句代码时程序就退出了,导致释放资源的代码未被执行到
  4. 代码运行过程中发生异常,随着异常栈展开,导致释放资源的代码未被执行到
template<typename T> 
class SmartPtr {
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr) {}
    ~SmartPtr() {delete _ptr;}
private:
    T* _ptr;
};

int main(){
    SmartPtr<int> ptr(new int);
    return 0;
}

上面这段代码就是一个非常简单的智能指针,主要用到了这两点:

  1. 智能指针体现在把裸指针进行了面向对象的封装,在构造函数中初始化资源地址,在析构函数中负责释放资源
  2. 利用栈上的对象出作用域自动析构这个特点,在智能指针的析构函数中保证释放资源。所以,智能指针一般都是定义在栈上

面试官:能不能在堆上定义智能指针?

答:不能。就好比SmartPtr<int>* ptr = new SmartPtr<int>();这段代码中,在堆空间定义一个智能指针,这依然需要我们手动进行delete,否则无法堆空间的对象无法释放,因为堆空间的对象无法自动调用析构函数。

一般而言智能指针还需要提供裸指针常见的*->两种运算符的重载函数:

const T& operator*() const{return *_ptr;}
    T& operator*(){return *_ptr;}
    const T operator->() const{return _ptr;}
    T operator->(){return _ptr;}
二、不带引用计数的智能指针
int main(){
    SmartPtr<int> ptr1(new int);
    SmartPtr<int> ptr2(ptr1);
    return 0;
}

以上代码运行时,由于ptr2拷贝构造时默认是浅拷贝,会出现同一资源释放两次的错误(释放野指针),这里需要解决两个问题:

  1. 智能指针的浅拷贝
  2. 多个智能指针指向同一个资源的时候,怎么保证资源只释放一次,而不是每个智能指针都释放一次

不带引用计数的智能指针主要包括: auto_ptrscoped_ptrunique_ptr

(1)auto_ptr源码

auto_ptr(auto_ptr& _Right) noexcept : _Myptr(_Right.release()) {}

_Ty* release() noexcept {
    _Ty* _Tmp = _Myptr;
    _Myptr    = nullptr;
    return _Tmp;
}

使用auto_ptr

auto_ptr<int> ptr1(new int);
    auto_ptr<int> ptr2(ptr1);

从源码可以看到,auto_ptr底层先是将ptr1置空,然后将指向的资源再给ptr2auto_ptr所做的就是使最后一个构造的指针指向资源,以前的指针全都置空,如果再去访问以前的指针就是访问空指针了,这很危险。所以一般不使用auto_ptr

(2)scoped_ptr

该智能指针底层私有化了拷贝构造函数和operator=赋值函数,从根本上杜绝了智能指针浅拷贝的发生,所以scoped_ptr也是不能用在容器当中的。如果容器互相进行拷贝或者赋值,就会引起scoped_ptr对象的拷贝构造和赋值,这是不允许的,代码会提示编译错误。

auto_ptrscoped_ptr这一点上的区别,有些资料上用所有权的概念来描述,道理是相同的。auto_ptr可以任意转移资源的所有权,而scoped_ptr不会转移所有权(因为拷贝构造和赋值被禁止了)

一般也不推荐使用scoped_ptr

(3)unique_ptr源码

template <class _Dx2 = _Dx, enable_if_t<is_move_constructible_v<_Dx2>, int> = 0>
    unique_ptr(unique_ptr&& _Right) noexcept
        : _Mypair(_One_then_variadic_args_t{}, _STD forward<_Dx>(_Right.get_deleter()), _Right.release()) {}
	
	unique_ptr(unique_ptr<_Ty2, _Dx2>&& _Right) noexcept
        : _Mypair(_One_then_variadic_args_t{}, _STD forward<_Dx2>(_Right.get_deleter()), _Right.release()) {}
	
	// 拷贝构造或者赋值运算符的时候,用于将以前的智能指针置空
	pointer release() noexcept {
        return _STD exchange(_Mypair._Myval2, nullptr);
    }	

	unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
    unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;

从源码可以看到,unique_ptr直接delete了拷贝构造函数和operator=赋值重载函数,禁止用户对unique_ptr进行显示的拷贝构造和赋值,防止智能指针浅拷贝问题的发生

但是unique_ptr提供了带右值引用参数的拷贝构造和赋值,即unique_ptr智能指针可以通过右值引用进行拷贝构造和赋值操作

unique_ptr<int> ptr1(new int);
    unique_ptr<int> ptr2(std::move(ptr1));// 使用右值引用的拷贝构造,由于执行了release,ptr1已经被置空
    cout << (ptr1 == nullptr) << endl;    // true
    ptr2 = std::move(ptr1);               // 使用右值引用的operator=赋值重载函数
    cout << (ptr2 == nullptr) << endl;    // true

用临时对象构造新的对象时,也会调用带右值引用参数的函数

unique_ptr<int> get_unique_ptr() {
    unique_ptr<int> tmp(new int);
    return tmp;
}

int main(){
    unique_ptr<int> ptr = get_unique_ptr(); // 调用带右值引用参数的拷贝构造函数,由tmp直接构造ptr
    return 0;
}

unique_ptr从名字就可以看出来,最终也是只能有一个智能指针引用资源,其他智能指针全部置空

三、带引用计数的智能指针
#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

template<typename T>
class RefCnt {
public:
    RefCnt(T* ptr = nullptr){
        mcount = (mptr == nullptr) ? 0 : 1;
    }

    void addRef() {
        mcount++;
    }

    int subRef() {
        return --mcount;
    }

private:
    int mcount;      // mptr指向某个资源的引用计数,线程不安全。使用atomic_int线程安全
    T* mptr;         //指向智能指针内部指向资源的指针,间接指向资源
};

template<typename T>
class SmartPtr {
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) {
        cout << "SmartPtr()" << endl;
        mpRefCnt = new RefCnt<int>(_ptr); // 用指向资源的指针初始化引用计数对象
    }
    ~SmartPtr() {
        if (0 == mpRefCnt->subRef()) {
            cout << "释放资源析构~SmartPtr()" << endl;
            delete _ptr;
        }
        else {
            cout << "空析构~SmartPtr()" << endl;
        }
    }

    const T& operator*() const { return *_ptr; }
    T& operator*() { return *_ptr; }
    const T operator->() const { return _ptr; }
    T operator->() { return _ptr; }

    SmartPtr(const SmartPtr<T>& src) :_ptr(src._ptr), mpRefCnt(src.mpRefCnt) {
        cout << "SmartPtr(const SmartPtr<T>& src)" << endl;
        if (_ptr != nullptr) {
            // 用于拷贝的对象已经引用了资源
            mpRefCnt->addRef();
        }
    }

    SmartPtr<T>& operator=(const SmartPtr<T>& src) {
        cout << "SmartPtr<T>& operator=" << endl;
        if (this == &src) {
            return *this;
        }
        // 当前智能指针指向和src相同的资源,考虑是否释放之前的资源
        if (0 == mpRefCnt->subRef()) {
            // 若之前指向的资源引用计数为1,释放之前的资源
            delete _ptr;
        }
        _ptr = src._ptr;
        mpRefCnt = src.mpRefCnt;
        mpRefCnt->addRef();
        return *this;
    }
private:
    T* _ptr;        // 指向资源的指针
    RefCnt<T>* mpRefCnt; // 指向该资源引用计数的指针 
};

int main(){
    SmartPtr<int> ptr1(new int);
    SmartPtr<int> ptr2(ptr1);
    SmartPtr<int> ptr3;
    ptr3 = ptr2;
    *ptr2 = 100;
    cout << *ptr2 << " " << *ptr3 << endl;
    return 0;
}

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四、shared_ptr 和 weak_ptr

shared_ptr:强智能指针,可以改变资源的引用计数

weak_ptr:弱智能指针,不可改变资源的引用计数

weak_ptr -> shared_ptr -> 资源

智能指针的交叉引用问题

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class B;

class A {
public:
	A() {
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() {
		cout << "~A()" << endl;
	}
	shared_ptr<B> _ptrb;
};

class B {
public:
	B() {
		cout << "B()" << endl;
	}
	~B() {
		cout << "~B()" << endl;
	}
	shared_ptr<A> _ptra;
};

int main() {
	shared_ptr<A> pa(new A());
	shared_ptr<B> pb(new B());

	pa->_ptrb = pb;
	pb->_ptra = pa;

	cout << pa.use_count() << endl;
	cout << pb.use_count() << endl;
	return 0;
}

/*
A()
B()
2
2
*/

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解决办法: 定义对象时用shared_ptr,引用对象时用weak_ptr

class B;

class A {
public:
	A() {
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() {
		cout << "~A()" << endl;
	}
	weak_ptr<B> _ptrb;
};

class B {
public:
	B() {
		cout << "B()" << endl;
	}
	~B() {
		cout << "~B()" << endl;
	}
	weak_ptr<A> _ptra;
};
/*
A()
B()
1
1
~B()
~A()
*/

weak_ptr只是用于观察资源,不能够使用资源,并没有实现operator*operator->。可以使用weak_ptr对象的lock()方法返回shared_ptr对象,这个操作会增加资源的引用计数。

五、多线程访问共享对象的线程安全问题

线程A和线程B访问一个共享对象,如果线程A已经析构这个对象,线程B又要调用该共享对象的成员方法,线程B再去访问该对象,就会发生不可预期的错误

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>

using namespace std;

class A {
public:
	A() {
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() {
		cout << "~A()" << endl;
	}
	void test() {
		cout << "test()" << endl;
	}
};

void handler01(A* q) {
	// 睡眠2s,使得主线程进行delete
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
	q->test();
}

int main() {
	A* p = new A();
	thread t1(handler01, p);
	delete p;
	
	t1.join();

	return 0;
}

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在多线程访问共享对象的时候,往往需要lock检测一下对象是否存在。开启一个新线程,并传入共享对象的弱智能指针

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>

using namespace std;

class A {
public:
	A() {
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() {
		cout << "~A()" << endl;
	}
	void test() {
		cout << "test()" << endl;
	}
};

void handler01(weak_ptr<A> pw) {
	shared_ptr<A> ps = pw.lock();
	// lock方法判定资源对象是否析构
	if (ps != nullptr) {
		ps->test();
	}else {
		cout << "A对象已经析构,无法访问" << endl;
	}
}

int main() {
	{
		shared_ptr<A> p(new A());
		//开启一个新线程,并传入共享对象的弱智能指针
		thread t1(handler01, weak_ptr<A>(p));
		// 将子线程和主线程的关联分离,也就是说detach()后子线程在后台独立继续运行,
		// 主线程无法再取得子线程的控制权,即使主线程结束,子线程未执行也不会结束。
		t1.detach();
	}
	// 让主线程等待,给时间子线程执行,否则main函数最后会调用exit方法结束进程
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
	
	return 0;
}

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六、自定义删除器

通常我们使用智能指针管理的资源是堆内存,当智能指针出作用域的时候,在其析构函数中会delete释放堆内存资源,但是除了堆内存资源,智能指针还可以管理其它资源,比如打开的文件,此时对于文件指针的关闭,就不能用delete了,这时我们需要自定义智能指针释放资源的方法。

template<typename T> 
class ArrDeletor {
public:
	// 对象删除的时候需要调用对应删除器的()重载函数
	void operator()(T* ptr) const {
		cout << "ArrDeletor::operator()" << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

template<typename T>
class FileDeletor {
public:
	// 对象删除的时候需要调用对应删除器的()重载函数
	void operator()(T* fp) const {
		cout << "FileDeletor::operator()" << endl;
		fclose(fp);
	}
};

int main() {
	unique_ptr<int, ArrDeletor<int>> ptr1(new int[100]);
	unique_ptr<FILE, FileDeletor<FILE>> ptr2(fopen("1.cpp", "w"));
	
	// 使用lambda表达式
	// function<返回值(参数)> 
	// []叫做捕获说明符,表示一个lambda表达式的开始。接下来是参数列表,即这个匿名的lambda函数的参数
	unique_ptr<int, function<void(int*)>> ptr1(
		new int[100],
		[](int* p)->void {
			cout << "call lambda release new int[]" << endl;
			delete[] p;
		}
	);
	unique_ptr<FILE, function<void(FILE*)>>  ptr2(
		fopen("1.cpp", "w"),
		[](FILE* p)->void {
			cout << "call lambda release fopen(\"1.cpp\", \"w\")" << endl;
			fclose(p);
		}
	);
	return 0;
}
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