C++之智能指针

本文主要总结C++11中的几种智能指针的原理,使用及实现方式。

I、上帝视角看智能指针

1、智能指针的引用是为了方便堆内存管理,由于普通指针存在内存泄漏或二次释放的缺点,所以才出现了智能指针。

2、智能指针利用了RAII(资源获取即初始化)的技术,对普通指针进行封装,使得其行为像一个指针,但其实是一个对象。

II、使用智能指针

C++11中所新增的智能指针包括shared_ptr, unique_ptr, weak_ptr,在C++11之前还存在auto_ptr

2.1 shared_ptr

1、shared_ptr多个指针指向相同的对象,使用引用计数来完成自动析构的功能。

2、shared_ptr的引用计数是线程安全的,但是其对象的写操作在多线程环境下需要加锁实现。

3、不要用同一个指针初始化多个shared_ptr,这样可能会造成二次释放

4、shared_ptr使用实例

#include<iostream>
#include<memory>

using namespace std;

int main() {
    int a = 10;
    shared_ptr<int> ptra = make_shared<int>(a);
    shared_ptr<int> ptra2(ptra);     //拷贝构造函数
    cout << ptra.use_count() << endl;   //2

    int b = 20;
    int *pb = &b;

    shared_ptr<int> ptrb = make_shared<int>(b);
    ptra2 = ptrb;
    pb = ptrb.get();    //获取指针

    cout << ptra.use_count() << endl;   //1
    cout << ptrb.use_count() << endl;   //2

    return 0;
}

2.2 unique_ptr

1、unique_ptr 唯一拥有所指对象,同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象,这是通过禁止拷贝语义、只允许移动语义来实现的。

2、unique_ptr指针本身的生命周期是从创建开始,直到离开作用域。在智能指针生命周期内,可以改变指针所指向对象,如创建智能指针时使用构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。

3、unique_ptr使用实例:

#include<iostream>
#include<memory>

using namespace std;

int main() {
    {
        unique_ptr<int> uptr(new int(10));  //绑定动态对象

        unique_ptr<int> uptr2 = uptr;   //不能赋值
        unique_ptr<int> uptr2(uptr);    //不能拷贝

        unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr);    //转换所有权
        uptr2.release();    //释放所有权
    }
    
    //超出uptr作用域,内存释放
}

2.3 weak_ptr

1、weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针,它不具备普通指针的行为,其最大的作用是协助shared_ptr工作,像旁观者那样检测资源的使用情况

2、 weak_ptr可以从一个shared_ptr或另一个weak_ptr对象构造,获得资源的观测权。

3、weak_ptr没有共享资源,它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数。

4、另一个成员函数expired()等价于判断use_count()==0

5、lock()方法将返回一个存放空指针的shared_ptr。

6、weak_ptr使用实例:

#include<iostream>
#include<memory>

using namespace std;

int main() {
    {
        shared_ptr<int> sh_ptr = make_shared<int>(10);
        cout << sh_ptr.use_count() << endl;

        weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
        cout << wp.use_count() << endl;

        if (!wp.expired()) {
            shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock();    //get another shared_ptr
            *sh_ptr = 100;
            cout << wp.use_count() << endl;
        }
    }
}

III、智能指针的实现

总体来说,实现智能指针的主要任务在于实现引用计数的维护。

首先不应该直接在智能指针类中维护引用计数,这是因为如果有多个智能指针对象指向同一对象,若改变引用计数的值,需要找到这个对象的所有智能指针对象,从而改变所有的引用计数。

所以,有两个思路可以考虑:一个是使用辅助类来维护引用计数,另一个构造句柄类

其中,辅助类采用继承的方式实现,这种方式的缺点是实现比较复杂,需要所有使用智能指针的对象都先继承自辅助类。

句柄类的方式,是在智能指针类中维护一个指向引用计数的指针,这个引用计数是一个单独的内存空间中。

3.1 智能指针类中维护引用计数

这种方法其实是不好的,若想在智能指针类中维护引用计数,应该采用构造句柄类的方式。

#include <iostream>
#include <memory>

template<typename T>
class SmartPointer {
private:
    T* _ptr;
    size_t* _count;
public:
    SmartPointer(T* ptr = nullptr) :
            _ptr(ptr) {
        if (_ptr) {
            _count = new size_t(1);
        } else {
            _count = new size_t(0);
        }
    }

    SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {
        if (this != &ptr) {
            this->_ptr = ptr._ptr;
            this->_count = ptr._count;
            (*this->_count)++;
        }
    }

    SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
        if (this->_ptr == ptr._ptr) {
            return *this;
        }

        if (this->_ptr) {
            (*this->_count)--;
            if (this->_count == 0) {
                delete this->_ptr;
                delete this->_count;
            }
        }

        this->_ptr = ptr._ptr;
        this->_count = ptr._count;
        (*this->_count)++;
        return *this;
    }

    T& operator*() {
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return *(this->_ptr);

    }

    T* operator->() {
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return this->_ptr;
    }

    ~SmartPointer() {
        (*this->_count)--;
        if (*this->_count == 0) {
            delete this->_ptr;
            delete this->_count;
        }
    }

    size_t use_count(){
        return *this->_count;
    }
};

int main() {
    {
        SmartPointer<int> sp(new int(10));
        SmartPointer<int> sp2(sp);
        SmartPointer<int> sp3(new int(20));
        sp2 = sp3;
        std::cout << sp.use_count() << std::endl;
        std::cout << sp3.use_count() << std::endl;
    }
    //delete operator
}
3.2 使用辅助类维护引用计数

具体见:https://github.com/wenmingxing1/SmartPointer

【参考】
[1] C++11中智能指针的原理、使用、实现

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