智能指针

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-10-09 12:14 155阅读 0赞

C++里面的四个智能指针分别是：auto\_ptr，shared\_ptr，weak\_ptr，unique\_ptr，其中后三个是C++11支持的，第一个auto\_ptr已经被弃用。**为什么要使用智能指针？**智能指针的作用是管理一个指针，因为存在着以下这种情况：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时，类会自动调用析构函数，析构函数会自动释放内存空间，不需要手动释放内存空间。

智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象。当栈对象的生存周期结束后，会在析构函数中释放掉申请的内存，从而防止内存泄漏。C++11中最常用的智能指针类型为shared\_ptr，它采用引用计数的方法，记录当前内存资源被多少个智能指针引用。该引用计数的内存在堆上分配。当新增一个智能指针时引用计数加1，当智能指针过期时引用计数减1。只有引用计数为0时，智能指针才会自动释放引用的内存资源。对shared\_ptr进行初始化时不能将一个普通指针直接赋值给智能指针，因为一个是指针，一个是类，可以通过make\_shared()函数或者通过构造函数传入普通指针，并可以通过get()函数获得普通指针。

**auto\_ptr**

auto_ptr<string> p1(new string("Hello World !"));
    auto_ptr<string> p2;
    p2 = p1;    //quto_ptr不会报错

此时不会报错，p2剥夺了p1的所有权，但是当程序运行时访问p1将会报错。所以auto\_ptr的缺点就是**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）非常有用。

unique_ptr<string> p3(new string("Hello world !"));
    unique_ptr<string> p4;
    p4 = p3;        //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还有一个比较好的一点：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> p1(new string("Hello world !"));
    unique_ptr<string> p2;
    p2 = p1;        //不允许
    
    
    unique_ptr<string> p3;
    p3 = unique_ptr<string>(new string("Hello world !"));        //允许

其中p2 = p1之后留下悬挂的unique\_ptr(p1)，这可能导致危害。而p3并不会留下悬挂的unique\_ptr，因为它调用了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p3后就会被销毁。这种随情况而定的行为表明，unique\_ptr优于允许两种赋值的auto\_ptr。

如果确实想执行类似于p2 = p1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()函数，能够让一个unique\_ptr赋给另一个。

unique_ptr<string> p1,p2;
    p1 = demo("Hello");
    p2 = move(p1);
    p1 = demo("world");
    cout << *p1 << *p2 << 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的时候释放。从名字就可以看出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()函数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()函数时，当前指针会释放资源所有权，计数减1，当计数等于0时，资源会被释放。

shared\_ptr是为了解决auto\_ptr在对象所有权上独占式的局限性，在使用计数的机制上提供了可以共享所有权的智能指针。成员函数有：

use\_count() 返回引用计数的个数

unique() 返回是否是独占所有权

swap() 交换两个share\_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，由于已经重载了（）方法，因此和直接使用是一样的。如shared\_ptr<int> 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的管理对象。进行该对象的内存管理的是那个强引用shared\_ptr。weak\_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak\_ptr设计的目的是为了配合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计数的增加或减少。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，资源永远不会被释放。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lock()函数来获得shared\_ptr。

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

以上代码中可以看出，fun()函数中pa与pb相互引用，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1，但是两者引用计数还是为1，导致跳出函数是资源还没有被释放（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\_，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1，同时pb析构时使A的计数减1，那么A的计数为0，A得到释放。需要注意的是我们不能通过weak\_ptr直接访问对象，比如B对象中有一个方法print()，我们不能使用pa->pb\_->print()来访问，因为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();。

**智能指针的内存泄露及解决**

当两个对象相互使用一个shared\_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。如下：

#include <memory>
    #include <iostream>
    using namespace std;
    class Child;
    class Parent
    {
    private:
        std::shared_ptr<Child> childptr;
    public:
        void setchild(std::shared_ptr<Child> child)
        {
    	this->childptr = child;
        }
        void fun()
        {
    	if (this->childptr.use_count())
    	{
    	}
        }
        ~Parent();
    };
    class Child
    {
    private:
        std::shared_ptr<Parent> parentptr;
    public:
        void setparent(std::shared_ptr<Parent> parent)
        {
    	this->parentptr = parent;
        }
        void fun()
        {
    	if (this->parentptr.use_count())
    	{
            }
        }
        ~Child();
    };
    int main()
    {
        std::weak_ptr<Parent> wpp;
        std::weak_ptr<Child> wpc;
        {
    	std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
    	std::shared_ptr<Child> c(new Child);
    	p->setchild(c);
    	c->setparent(p);
    	wpp = p;
    	wpc = c;
            cout << p.use_count() << endl;
            cout << c.use_count() << endl;
        }
        cout << wpp.use_count() << endl;
        cout << wpc.use_count() << endl;
        return 0;
    }

上述代码中，Parent有一个shared\_ptr类型的成员指向Child，而Child也有一个shared\_ptr类型的成员指向Parent。然后在创建Child和Parent对象时也使用了智能指针c和p，随后将c和p分别又赋值给Child的智能指针成员parent和Parent的智能指针成员child，从而形成了一个循环引用，导致内存泄漏。而为了解决循环引用导致的内存泄漏，引入了weak\_ptr弱指针，weak\_ptr的构造函数不会修改引用计数的值，从而不会对对象的内存进行管理，其类似一个普通指针，但不指向引用计数的共享内存，但是其可以检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免非法访问。