跳到主要内容C++ 智能指针详解:RAII 思想与 shared_ptr 原理 | 极客日志C++算法
C++ 智能指针详解:RAII 思想与 shared_ptr 原理
C++ 智能指针通过 RAII 机制管理资源生命周期。文章首先分析内存泄漏原因及危害,介绍 auto_ptr 权限转移缺陷及 unique_ptr 防拷贝特性。重点剖析 shared_ptr 引用计数原理,包括构造、拷贝、析构、赋值实现细节,并解决循环引用问题引入 weak_ptr。最后讲解定制删除器处理非 new 对象场景,提供完整模拟代码示例。
灵魂摆渡5 浏览 一、内存泄漏
(1) 什么是内存泄漏:
内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失,而是应用程序分配某段内存后,因为设计错误,失去了对该段内存的控制,因而造成了内存的浪费。
(2) 内存泄漏的危害:
长期运行的程序出现内存泄漏,影响很大,如操作系统、后台服务等等,出现内存泄漏会导致响应越来越慢,最终卡死。
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <stdexcept>
void MemoryLeaks() {
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
int* p3 = new int[10];
Func();
delete[] p3;
}
二、智能指针的使用及原理
2.1 RAII 思想
RAII 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,接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效,最后在对象析构的时候释放资源。借此,我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。
这种做法有两大好处:
(1) 不需要显式地释放资源。
(2) 采用这种方式,对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。
template<class >
{
:
(T* ptr = ) : _ptr(ptr) {}
~() { (_ptr) _ptr; }
T& *() { *_ptr; }
T* ->() { _ptr; }
:
T* _ptr;
};
{
a, b;
std::cin >> a >> b;
(b == ) std::();
a / b;
}
{
;
;
std::cout << () << std::endl;
}
{
{
();
} ( std::exception& e) {
std::cout << e.() << std::endl;
}
;
}
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T
class
SmartPtr
public
SmartPtr
nullptr
SmartPtr
if
delete
operator
return
operator
return
private
int div()
int
if
0
throw
invalid_argument
"除 0 错误"
return
void Func()
SmartPtr<int> sp1(new int)
SmartPtr<int> sp2(new int)
div
int main()
try
Func
catch
const
what
return
0
(1) RAII 特性
(2) 重载 operator 和 operator->,具有像指针一样的行为*。
2.2 auto_ptr
C++98 版本的库中就提供了 auto_ptr 的智能指针,auto_ptr 支持拷贝,但是拷贝时,管理权限转移,会造成被拷贝指针悬空。
struct Date {
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) : _year(year), _month(month), _day(day) {}
~Date() { std::cout << "~Date()" << std::endl; }
};
int main() {
std::auto_ptr<Date> ap1(new Date);
std::auto_ptr<Date> ap2(ap1);
return 0;
}
结论:auto_ptr 是一个失败设计,很多公司明确要求不能使用 auto_ptr。
2.3 unique_ptr
C++11 中开始提供更靠谱的 unique_ptr,unique_ptr 的实现原理:简单粗暴的防拷贝。
struct Date {
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) : _year(year), _month(month), _day(day) {}
~Date() { std::cout << "~Date()" << std::endl; }
};
int main() {
std::unique_ptr<Date> up1(new Date);
return 0;
}
三、shared_ptr(重点)
C++11 中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的 shared_ptr。
3.1 shared_ptr 的原理及使用
shared_ptr 的原理:是通过引用计数的方式来实现多个 shared_ptr 对象之间共享资源。
(1) shared_ptr 在其内部,给每个资源都维护了着一份计数,用来记录该份资源被几个对象共享。
(2) 在对象被销毁时 (也就是析构函数调用),就说明自己不使用该资源了,对象的引用计数减一。
(3) 如果引用计数是 0,就说明自己是最后一个使用该资源的对象,必须释放该资源;
(4) 如果不是 0,就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源,不能释放该资源,否则其他对象就成野指针了。
struct Date {
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) : _year(year), _month(month), _day(day) {}
~Date() { std::cout << "~Date()" << std::endl; }
};
int main() {
std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
std::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
std::shared_ptr<Date> sp3(sp2);
return 0;
}
3.2 shared_ptr 的模拟实现
1. 基本框架
namespace bit {
template<class T>
class shared_ptr {
public:
T* get() const { return _ptr; }
int use_count() const { return *_pcount; }
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
std::function<void(T* ptr)> _del = [](T* ptr){ delete ptr; };
};
}
2. 引用计数的设计
每个资源都要配一个引用计数,是用来记录有多少个对象共同指向这块资源的。
不是每个对象都配一个计数,也不能直接使用 static 静态变量,这样所有对象都用一个计数了,显然不合理。
所以我们要在堆上开一块空间保存计数,用一个指针指向这个计数,当每次有对象指向同一块空间时,就可以找到这个指针指向的计数++,析构时计数--。每次构造的时候就出现新资源,所以要在构造的时候申请。
shared_ptr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr), _pcount(new int(1)) {}
3. 拷贝构造
把一个对象拷贝给另一个对象,说明这个对象的资源与另一个对象共享了,计数++。
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp) : _ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount) {
(*_pcount)++;
}
4. 析构函数
如果引用计数到 0,说明已经没有对象指向这块资源了,就要释放该资源。
void release() {
if (--(*_pcount) == 0) {
_del(_ptr);
delete _pcount;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
~shared_ptr() { release(); }
5. 赋值拷贝
赋值拷贝是已经存在的两个对象之间。所以赋值时要注意那个对象原先资源的处理,原先的计数要先--。并且要注意避免自己给自己赋值。
shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp) {
if (_ptr != sp._ptr) {
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
(*_pcount)++;
}
return *this;
}
3.3 shared_ptr 的循环引用
循环引用问题是一个巨坑,出现时必然会导致内存泄漏问题。
struct ListNode {
int _data;
std::shared_ptr<ListNode> _next;
std::shared_ptr<ListNode> _prev;
~ListNode() { std::cout << "~ListNode()" << std::endl; }
};
int main() {
std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
std::cout << n1.use_count() << std::endl;
std::cout << n2.use_count() << std::endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
std::cout << n1.use_count() << std::endl;
std::cout << n2.use_count() << std::endl;
return 0;
}
解决方案:在引用计数的场景下,把节点中的_prev 和_next 改成 weak_ptr 就可以了。
原理就是:weak_ptr 不支持管理资源,不支持 RAII。n1->_next = node2 和 n2->_prev = n1 时,weak_ptr 的_next 和_prev 不会增加 n1 和 n2 的引用计数。
struct ListNode {
int _data;
std::weak_ptr<ListNode> _next;
std::weak_ptr<ListNode> _prev;
~ListNode() { std::cout << "~ListNode()" << std::endl; }
};
在我们自己的 shared_ptr 中也进行简单的模拟实现:
template<class T>
class weak_ptr {
public:
weak_ptr() {}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp) : _ptr(sp.get()) {}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
_ptr = sp.get();
return *this;
}
};
3.4 定制删除器
如果不是 new 出来的对象如何通过智能指针管理呢??其实 shared_ptr 设计了一个删除器来解决这个问题。(ps:删除器这个问题我们了解一下)
template <class T>
class DeleteArray {
public:
void operator()(T* ptr) { delete[] ptr; }
};
class Fclose {
public:
void operator()(FILE* ptr) {
std::cout << "fclose:" << ptr << std::endl;
fclose(ptr);
}
};
int main() {
std::shared_ptr<Date[]> sp4(new Date[5]);
std::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("test.cpp", "r"), Fclose());
return 0;
}
但是每次写仿函数还是有些麻烦,所以可以在 shared_ptr 的类中进行实现:
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del) : _ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _del(del) {}
3.5 shared_ptr 实现的完整代码
#pragma once
#include <functional>
namespace bit {
template<class T>
class shared_ptr {
public:
shared_ptr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr), _pcount(new int(1)) {}
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del) : _ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _del(del) {}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp) : _ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount) {
(*_pcount)++;
}
shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp) {
if (_ptr != sp._ptr) {
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
(*_pcount)++;
}
return *this;
}
void release() {
if (--(*_pcount) == 0) {
_del(_ptr);
delete _pcount;
_ptr = nullptr;
_pcount = nullptr;
}
}
~shared_ptr() { release(); }
T* get() const { return _ptr; }
int use_count() const { return *_pcount; }
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
std::function<void(T* ptr)> _del = [](T* ptr){ delete ptr; };
};
template<class T>
class weak_ptr {
public:
weak_ptr() {}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp) : _ptr(sp.get()) {}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
_ptr = sp.get();
return *this;
}
private:
T* _ptr = nullptr;
};
}
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <functional>
#include "shared_ptr.h"
struct Date {
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) : _year(year), _month(month), _day(day) {}
~Date() { std::cout << "~Date()" << std::endl; }
};
template <class T>
class DeleteArray {
public:
void operator()(T* ptr) { delete[] ptr; }
};
class Fclose {
public:
void operator()(FILE* ptr) {
std::cout << "fclose:" << ptr << std::endl;
fclose(ptr);
}
};
int main() {
bit::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
bit::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
bit::shared_ptr<Date> sp3(new Date);
sp1 = sp3;
bit::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("test.cpp", "r"), Fclose());
bit::shared_ptr<int> sp6((int*)malloc(40), [](int* ptr) {
std::cout << "free:" << ptr << std::endl;
free(ptr);
});
return 0;
}