C++ 智能指针如何实现智能？

C++ 智能指针如何实现智能？

本文来自公众号“AI大道理”。

这里既有AI，又有生活大道理，无数渺小的思考填满了一生。

指针是一个变量，其值为另一个变量的地址，即内存位置的直接地址。

指针就像是一个目录，其值就像页码，页码指向某一个的内容。

1、普通指针

问题1：内存泄露问题

问题描述：

C++没有自动回收内存的机制，每次new出来的动态内存必须手动delete。

如果忘记delete，资源未被释放，将导致内存泄露。

问题2：迷途指针

问题描述：

多个指针指向同一个对象时，有一个指针释放了，但是其他指针并不知道这个情况，若继续使用那个被释放的指针将出错。

问题3：野指针

没有经过初始化就直接拿来用的指针，将出错。

2、智能指针

智能指针是一个模板类，用来存储指针（指向动态分配对象的指针）。

智能指针是通过基本类型（模板类）指针构造类的对象，指针本身就是一个自定义的对象。

当此对象被销毁时，即调用此对象的析构函数，释放此指针。

智能指针其实就是对普通指针的封装，封装成一个类。通过重载*和->两个运算符使得智能指针表现得就像普通指针一样。

智能指针遵从RAII思想。

RAII思想：

能够像指针一样（运算符重载，解引用，指向对象成员）。

对资源进行封装和管理。

RAII思想（资源分配及初始化）（Resource Acquisition Is Initialization）

定义一个类来封装资源的分配与释放。

构造函数中完成资源的分配及初始化。

析构函数中完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放

如果对象是用声明的方式在栈上创建局部对象，那么RAII机制就会正常工作，当离开作用域对象会自动销毁而调用析构函数释放资源。

智能指针主要有:

auto_ptr：弃用的指针

unique_ptr：独占智能指针

shared_ptr: 共享智能指针

weak_ptr: 弱智能指针

3、auto_ptr

实现原理：

auto_ptr事实上是一个类，在构造对象时获取对象的管理权，无需考虑释放动态内存开辟的空间，在析构函数中直接释放，不会出现内存泄漏的问题。

缺陷：
1）一个指针变量指向的空间不能由两个auto_ptr管理，不然会析构两次，使程序崩溃。

2）auto_ptr的拷贝构造，将源指针的管理权交给目标指针，会使得源指针悬空，解引用是会出现很多问题。

3）auto_ptr不能用来管理数组，析构函数中用的是delete。

4、unique_ptr

unique_ptr解决了auto_ptr编译不报错的问题。

unique_ptr是auto_ptr的继承者，对于同一块内存只能有一个持有者。

unique_ptr和auto_ptr唯一区别就是unique_ptr不允许赋值 *** 作，也就是不能放在等号的右边，这一定程度避免了一些误 *** 作导致指针所有权转移。

unique_ptr的核心特点就如它的名字一样，它拥有对持有对象的唯一所有权，即两个unique_ptr不能同时指向同一个对象。

nique_ptr所持有的对象只能通过转移语义将所有权转移到另外一个unique_ptr。

unique_ptr本身拥有的方法主要包括：

get（）获取其保存的原生指针，尽量不要使用

bool（）判断是否拥有指针

release（）释放所管理指针的所有权，返回原生指针。但并不销毁原生指针。

reset（）释放并销毁原生指针。如果参数为一个新指针，将管理这个新指针

5、shared_ptr

unique_ptr不能多个指针指向同一个资源，而shared_ptr可以。

实现原理：

每次复制或者多一个共享内存资源的shared_ptr时，计数+1；

每次释放shared_ptr时，计数-1；

当shared_ptr计数为0时，证明所有指向同一资源的shared_ptr都全部释放了。

shared_ptr 需要维护的信息有两部分：

指向共享资源的指针。

引用计数等共享资源的控制信息——实现上是维护一个指向控制信息的指针。

常规的创建一个 shared_ptr：

为了构建一个std::shared_ptr对象，却进行了两次内存分配，而且第二次内存分配分配的内存还比较小，这一方面会影响程序性能，另一方面还会大大增加内存碎片产生的可能性。

复制一个 shared_ptr ：

std::make_shared创建一个 shared_ptr：

std::make_shared的精妙之处就在于，它将std::shared_ptr构造中的两次内存分配降低到了一次。这会对提供程序性能和降低内存碎片都有帮助。

shared_ptr本身拥有的方法主要包括：

get() 获取其保存的原生指针，尽量不要使用

bool() 判断是否拥有指针

reset() 释放并销毁原生指针。如果参数为一个新指针，将管理这个新指针

unique() 如果引用计数为 1，则返回 true，否则返回 false

use_count() 返回引用计数的大小

循环引用问题：

但是，shared_ptr也有一个致命的缺点，就是会出现循环引用
Shared_ptr 会出现循环引用的情况：

调用析构后，还有互相引用的指针计数没有减掉。

要释放sp2，就需要先释放sp1->_next。

要释放sp1->_next， 就需要先释放sp1。

要释放sp1，就需要先释放sp2->_prev。

要释放sp2->_prev，就需要先释放sp2。

这样一来，就陷入了一个无限的循环当中，谁都释放不掉。

如何解决？

6、weak_ptr

std::weak_ptr 要与 std::shared_ptr 一起使用。

弱引用指针就是没有“所有权”的指针。

有时候我们只是想找个指向这块内存的指针，但我们不想把这块内存的生命周期与这个指针关联，这种情况下，弱引用指针就代表“我指向这东西，但这东西什么时候释放不关我事儿。

weak_ptr是辅助shared_ptr的存在，它只提供对管理对象的访问手段，同时可以实时动态知道所指向的对象是否存活，起到观察者的作用。

weak_ptr不具有普通指针的行为，没有重载operator *和->,只能想像旁观者一样观测资源的使用情况。

实现原理：

计数区域引进新的计数变量weak_count，来作为弱引用指针。

weak_ptr的构造和析构不会引起shared_ptr的计数的增加和减少，只会引起weak_count的增加和减少。

双计数：

资源的释放只取决shared的计数，当计数为0时，释放资源，weak_ptr不控制资源的生命周期。

计数区域的释放取决于shared计数和weak计数，当两者都为0时，才释放计数区域。

weak_ptr本身拥有的方法主要包括：

expired() 判断所指向的原生指针是否被释放，如果被释放了返回 true，否则返回 false

use_count() 返回原生指针的引用计数

lock() 返回 shared_ptr，如果原生指针没有被释放，则返回一个非空的 shared_ptr，否则返回一个空的 shared_ptr

reset() 将本身置空

循环引用问题的解决：

调用析构后，sp1和sp2成功释放。

要释放sp1->_next， 就需要先释放sp1，已经释放，所以sp1->_next释放。

要释放sp2->_prev，就需要先释放sp2，已经释放，所以sp2->_prev释放。

这样一来，就都释放掉了。

7、总结

unique_ptr：内存的所有者或者说管理者必须是唯一的。如果进入不同的模块或者调用者，那么执行所有权转移。

shared_ptr: 内存由多个指针变量共同使用，共同拥有内存的所有权。但是必须杜绝循环拷贝！

weak_ptr: 对内存的使用仅仅是访问而已，不涉及其生命周期的管理。

 

 ——————

浅谈则止，细致入微AI大道理

扫描下方“AI大道理”，选择“关注”公众号

—————————————————————

 

 

 

—————————————————————

投稿吧   | 留言吧