C++智能指针auto_ptr、shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr

Myth丶恋晨 2023-03-06 08:07 2阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  为什么要用智能指针
     *  野指针
     *   *  产生原因
     *  auto\_ptr
     *  unique\_ptr
     *  shared\_ptr
     *  weak\_ptr

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C++里面的四个智能指针: auto\_ptr, shared\_ptr, weak\_ptr, unique\_ptr 其中后三个是C++11支持，并且第一个已经被11弃用。

## 为什么要用智能指针 ##

智能指针的作用是管理一个指针，因为存在以下这种情况：申请的空间在函数结束时忘记释放，造成内存泄漏。使用智能指针可以很大程度上的避免这个问题，因为智能指针就是一个类，当超出了类的作用域是，类会自动调用析构函数，析构函数会自动释放资源。所以智能指针的作用原理就是在函数结束时自动释放内存空间，不需要手动释放内存空间。

## 野指针 ##

野指针：访问一个已销毁或者访问受限的内存区域的指针，野指针不能判断是否为NULL来避免。  
  垂悬指针：指针正常初始化，曾指向一个对象，该对象被销毁了，但是指针未制空，那么就成了悬空指针。

### 产生原因 ###

*  指针定义时未被初始化：指针在被定义的时候，如果程序不对其进行初始化的话，它会随机指向一个区域，因为任意指针变量（除了static修饰的指针）它的默认值都是随机的
 *  指针被释放时没有置空：我们在用malloc()开辟空间的时候，要检查返回值是否为空，如果为空，则开辟失败；如果不为空，则指针指向的是开辟的内存空间的首地址。指针指向的内存空间在用free()和delete释放后，如果程序员没有对其进行置空或者其他赋值操作的话，就会成为一个野指针
 *  指针操作超越变量作用域：不要返回指向栈内存的指针或者引用，因为栈内存在函数结束的时候会被释放。

## auto\_ptr ##

c++98的方案，c++11已经抛弃。

auto_ptr< string> p1 (new string ("I reigned lonely as a cloud.”));
    
    auto_ptr<string> p2;
    
    p2 = p1; //auto_ptr不会报错.

此程序编译时不会报错，但是当程序运行时访问p1将会报错。因为p2剥夺了p1的所有权，所以auto\_ptr的缺点是：存在潜在的内存崩溃问题！

## unique\_ptr ##

unique\_ptr实现独占式拥有或严格拥有概念，保证同一时间内只有一个智能指针可以指向该对象。它对于避免资源泄露(例如“以new创建对象后因为发生异常而忘记调用delete”)特别有用。

采用所有权模式，还是上面那个例子

unique_ptr<string> p3 (new string ("auto"));           //#4
    
    unique_ptr<string> p4；                           //#5
    
    p4 = p3;//此时会报错！！

编译器认为p4=p3非法，避免了p3不再指向有效数据的问题。因此，unique\_ptr比auto\_ptr更安全。

另外unique\_ptr还有更聪明的地方：当程序试图将一个 unique\_ptr 赋值给另一个时，如果源 unique\_ptr 是个临时右值，编译器允许这么做；如果源 unique\_ptr 将存在一段时间，编译器将禁止这么做，比如：

unique_ptr<string> pu1(new string ("hello world"));
    unique_ptr<string> pu2;
    pu2 = pu1;                                          // #1 not allowed
    unique_ptr<string> pu3;
    pu3 = unique_ptr<string>(new string ("You"));           // #2 allowed

其中\#1留下悬挂的unique\_ptr(pu1)，这可能导致危害。而\#2不会留下悬挂的unique\_ptr，因为它调用 unique\_ptr 的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权让给 pu3 后就会被销毁。这种随情况而已的行为表明，unique\_ptr 优于允许两种赋值的auto\_ptr 。

注：如果确实想执行类似与\#1的操作，要安全的重用这种指针，可给它赋新值。C++有一个标准库函数std::move()，让你能够将一个unique\_ptr赋给另一个。例如：

unique_ptr<string> ps1, ps2;
    ps1 = demo("hello");
    ps2 = move(ps1);
    ps1 = demo("alexia");
    cout << *ps2 << *ps1 << endl;

## shared\_ptr ##

shared\_ptr实现共享式拥有概念。多个智能指针可以指向相同对象，该对象和其相关资源会在“最后一个引用被销毁”时候释放。从名字share就可以看出了资源可以被多个指针共享，它使用计数机制来表明资源被几个指针共享。可以通过成员函数use\_count()来查看资源的所有者个数。除了可以通过new来构造，还可以通过传入auto\_ptr, unique\_ptr,weak\_ptr来构造。当我们调用release()时，当前指针会释放资源所有权，计数减一。当计数等于0时，资源会被释放。

shared\_ptr 是为了解决 auto\_ptr 在对象所有权上的局限性(auto\_ptr 是独占的), 在使用引用计数的机制上提供了可以共享所有权的智能指针。

成员函数：

*  use\_count 返回引用计数的个数
 *  unique 返回是否是独占所有权( use\_count 为 1)
 *  swap 交换两个 shared\_ptr 对象(即交换所拥有的对象)
 *  reset 放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少
 *  get 返回内部对象(指针), 由于已经重载了()方法, 因此和直接使用对象是一样的.如 shared\_ptr sp(new int(1)); sp 与 sp.get()是等价的

## weak\_ptr ##

weak\_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared\_ptr 管理的对象。进行该对象的内存管理的是那个强引用的 shared\_ptr。weak\_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak\_ptr 设计的目的是为配合 shared\_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared\_ptr 工作, 它只可以从一个 shared\_ptr 或另一个 weak\_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。weak\_ptr是用来解决shared\_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared\_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared\_ptr之间可以相互转化，shared\_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared\_ptr。

class B;
    class A
    { 
    public:
    	shared_ptr<B> pb_;
    	~A()
    	{ 
    		cout<<"A delete\n";
    	}
    };
    class B
    { 
    	public:
    	shared_ptr<A> pa_;
    	~B()
    	{ 
    		cout<<"B delete\n";
    	}
    };
    void fun()
    { 
    	shared_ptr<B> pb(new B());
    	shared_ptr<A> pa(new A());
    	pb->pa_ = pa;
    	pa->pb_ = pb;
    	cout<<pb.use_count()<<endl;
    	cout<<pa.use_count()<<endl;
    }
    int main()
    { 
    	fun();
    	return 0;
    }

可以看到fun函数中pa ，pb之间互相引用，两个资源的引用计数为2，当要跳出函数时，智能指针pa，pb析构时两个资源引用计数会减一，但是两者引用计数还是为1，导致跳出函数时资源没有被释放（A、B的析构函数没有被调用），如果把其中一个改为weak\_ptr就可以了，我们把类A里面的shared\_ptr pb\_; 改为weak\_ptr pb\_; 运行结果如下，这样的话，资源B的引用开始就只有1，当pb析构时，B的计数变为0，B得到释放，B释放的同时也会使A的计数减一，同时pa析构时使A的计数减一，那么A的计数为0，A得到释放。

注意的是我们不能通过weak\_ptr直接访问对象的方法，比如B对象中有一个方法print(),我们不能这样访问，pa->pb\_->print(); 英文pb\_是一个weak\_ptr，应该先把它转化为shared\_ptr,如：shared\_ptr p = pa->pb\_.lock(); p->print();

**参考文献：**[牛客网：C++工程师面试宝典][C]

[C]: https://www.nowcoder.com/tutorial/93/8f38bec08f974de192275e5366d8ae24