文章目錄

• 理解智能指針的原理
• 智能指針的使用
• • shared_ptr的使用
  • unique_ptr的使用
  • weak_ptr的使用
  • 循環(huán)引用
• 指針指針的設(shè)計和實現(xiàn)：

理解智能指針的原理

c++程序設(shè)計中使用堆內(nèi)存是非常頻繁的操作，堆內(nèi)存的申請和釋放都由程序員自己管理。程序員自己管理堆內(nèi)存可以提高了程序的效率，但是整體來說堆內(nèi)存的管理是非常麻煩的，c++11中引入了智能指針的概念，方便管理堆內(nèi)存。使用普通指針，容易造成堆內(nèi)存泄露（忘記釋放），二次釋放，程序發(fā)生異常時內(nèi)存泄漏等問題等，使用智能指針能更好的管理堆內(nèi)存。

理解智能指針需要從下面三個層次：

從較淺的層面看，智能指針是利用了一種叫做RAII（資源獲取即初始化）的技術(shù)對普通的指針進(jìn)行封裝，這使用智能指針實質(zhì)是一個對象，行為表現(xiàn)的卻像個指針。

智能指針的作用是防止忘記調(diào)用delete使用內(nèi)存和程序異常的進(jìn)入catch塊忘記釋放內(nèi)存。另外指針的釋放時機(jī)也是非常有考究的，多次釋放同一個指針會造成內(nèi)存崩潰，這些都可以通過智能指針來解決

智能指針還有一個作用是把值語義轉(zhuǎn)換成引用語義。c++和java有一處最大的區(qū)別在于語義不同，在java里面有如下代碼：

Animal a=new Animal(); Animal b=a; 你當(dāng)然知道，這里其實只生成一個對象，a和b僅僅是把持對象的引用而已，但c++中不是這樣， Animal a; Animal b=a; 這里卻是就是生成兩個對象

智能指針的使用

指針指針在c++11版本之后提供，包含在< memory >中，shared_ptr，unique_ptr，weak_ptr

shared_ptr的使用

shared_ptr多個指針指向相同的對象，shared_ptr使用引用計數(shù)，每一個shared_ptr的拷貝都指向相同的內(nèi)存。每使用一次他，內(nèi)部的引用計數(shù)加1，每析構(gòu)一次，內(nèi)部的引用計數(shù)減1，減為0時，自動刪除所指向的堆內(nèi)存時。shared_ptr內(nèi)部的引用計數(shù)是線程安全的，但是對象的讀取需要加鎖。

• 初始化。智能指針是個模板類，可以指定類型，傳入指針通過構(gòu)造函數(shù) 初始化，也可以使用make_shared 函數(shù)初始化，不能將指針賦值給一個智能指針，一個是類，一個是指針。例如std::shared_ptr< int >p4=new int (1);寫法是錯誤的
• 拷貝和賦值。拷貝使得對象的引用計數(shù)增加1，賦值使得原對象引用計數(shù)減1，當(dāng)計數(shù)為0時，自動釋放內(nèi)存。后來指向的對象引用計數(shù)加1，指向后來的對象
• get函數(shù)獲取原始指針
• 注意不要用一個原始指針初始化多個shared_ptr，否則會造成二次釋放同一個內(nèi)存
• 注意避免循環(huán)引用，shared_ptr最大的陷阱就是循環(huán)引用，循環(huán)，循環(huán)引用會導(dǎo)致堆內(nèi)存無法正確釋放，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。循環(huán)引用在weak_ptr中介紹

#include <iostream> #include <memory> int main() {{int a = 10;std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a);std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //copystd::cout << ptra.use_count() << std::endl;int b = 20;int *pb = &a;//std::shared_ptr<int> ptrb = pb; //errorstd::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);ptra2 = ptrb; //assignpb = ptrb.get(); //獲取原始指針std::cout << ptra.use_count() << std::endl;std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;} }

unique_ptr的使用

unique_ptr"唯一"擁有其所指對象，同一時刻智能有一個unique_ptr指向給定對象（通過禁止拷貝語義，只有移動語義來實現(xiàn)）。相比于原始指針unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出現(xiàn)異常的情況下，動態(tài)資源能得到釋放。unique_ptr指針本身的生命周期：從unique_ptr指針創(chuàng)建時開始，直到離開作用域。離開作用域時，若其指向?qū)ο?#xff0c;則將其所指對象銷毀（默認(rèn)使用delete操作符，用戶可指定其它操作）。unique_ptr指針與其所指對象的關(guān)系：在智能指針生命周期內(nèi)，可以改變智能指針?biāo)傅膶ο?#xff0c;如創(chuàng)建智能指針時通過構(gòu)造函數(shù)指定，通過reset方法重新指定，通過release方法釋放所有權(quán)，通過移動語義轉(zhuǎn)移所有權(quán)。

#include <iostream> #include <memory> int main() {{std::unique_ptr<int> uptr(new int(10)); //綁定動態(tài)對象//std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr; //不能賦值//std::unique_ptr<int> uptr2(uptr); //不能拷貝std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉(zhuǎn)換所有權(quán)uptr2.release(); //釋放所有權(quán)}//超過uptr的作用域，內(nèi)存釋放}

weak_ptr的使用

weak_ptr是為了配合shared_ptr而引入的一種只能指針，因為它不具有普通指針的行為，沒有重載operator * 和 ->，它的最大作用在于協(xié)助shared_ptr工作，像旁觀者那樣觀測資源的使用情況。weak_ptr可以從一個shared_ptr或者另一個weak_ptr對象構(gòu)造，獲得資源的觀測權(quán)。但weak_ptr沒有共享資源，它的構(gòu)造不會引起指針引用計數(shù)的增加。使用weak_ptr的成員函數(shù)use_count（）可以觀測資源的引用計數(shù)，另一個成員函數(shù)的expired（）的功能等價于use_count（）==0，但更快，表示被觀測的資源（也就是shared_ptr的管理的資源）已經(jīng)不復(fù)存在。weak_ptr可以使用一個非常重要的成員函數(shù)lock（）從被觀測的shared_ptr獲得一個可用的shared_ptr對象，從而操作資源。但當(dāng)expired（）==true的時候，lock（）函數(shù)將返回一個存儲空指針的shared_ptr。

#include <iostream> #include <memory> int main() {{std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);std::cout << wp.use_count() << std::endl;if(!wp.expired()){std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr*sh_ptr = 100;std::cout << wp.use_count() << std::endl;}}//delete memory }

循環(huán)引用

考慮一個簡單的對象建模——家長與子女，a Parent has a child ，a child knowshis/her parent。在java里面很好寫，不用擔(dān)心內(nèi)存泄漏，也不用擔(dān)心空懸指針，只要正確初始化myChild和myParent，那么java程序員就不用擔(dān)心出現(xiàn)訪問錯誤。一個handle是否有效，只需要判斷其是否nonnull。

public class Parent { private Child myChild; } public class Child { private Parent myParent; }

在c++里邊就是為資源管理費一番腦筋，如果使用原始指針作為成員，Child和Parent由誰釋放？那么如何保證指針的有效性？如何防止出現(xiàn)空懸指針？這些問題是c++面向?qū)ο笞兂傻穆闊┑膯栴}，現(xiàn)在可以借助smart pointer 把語義對象（pointer）轉(zhuǎn)變?yōu)橹?#xff08;value）語義，shared_ptr輕松解決聲明周期的問題，不用擔(dān)心空懸指針。但是這個模型存在循環(huán)引用的問題，注意其中一個指針應(yīng)該為weak_ptr。

原始指針的做法，容易出錯：

#include <iostream> #include <memory> class Child; class Parent; class Parent { private:Child* myChild; public:void setChild(Child* ch) {this->myChild = ch;}void doSomething() {if (this->myChild) {}}~Parent() {delete myChild;} }; class Child { private:Parent* myParent; public:void setPartent(Parent* p) {this->myParent = p;}void doSomething() {if (this->myParent) {}}~Child() {delete myParent;} }; int main() {{Parent* p = new Parent;Child* c = new Child;p->setChild(c);c->setPartent(p);delete c; //only delete one}return 0; }

循環(huán)引用內(nèi)存泄漏的問題：

#include <iostream> #include <memory> class Child; class Parent; class Parent { private:std::shared_ptr<Child> ChildPtr; public:void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {this->ChildPtr = child;}void doSomething() {if (this->ChildPtr.use_count()) {}}~Parent() {} }; class Child { private:std::shared_ptr<Parent> ParentPtr; public:void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {this->ParentPtr = parent;}void doSomething() {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->setPartent(p);wpp = p;wpc = c;std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2}std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 1std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 1return 0; }

正確的做法：

#include <iostream> #include <memory> class Child; class Parent; class Parent { private://std::shared_ptr<Child> ChildPtr;std::weak_ptr<Child> ChildPtr; public:void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {this->ChildPtr = child;}void doSomething() {//new shared_ptrif (this->ChildPtr.lock()) {}}~Parent() {} }; class Child { private:std::shared_ptr<Parent> ParentPtr; public:void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {this->ParentPtr = parent;}void doSomething() {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->setPartent(p);wpp = p;wpc = c;std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1}std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 0std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 0return 0; }

指針指針的設(shè)計和實現(xiàn)：

下面是一個簡單智能指針的demo。智能指針將一個累計數(shù)器和類指向的對象相關(guān)聯(lián)，引用計數(shù)跟蹤該類有多少個對象共享同一個指針。每次創(chuàng)建類的新對象時，初始化指針并將引用計數(shù)置位1；當(dāng)對象作為另一個對象的副本而創(chuàng)建時，拷貝構(gòu)造函數(shù)指針并增加與之相應(yīng)的引用計數(shù)；每一個對象進(jìn)行賦值時，賦值操作符減少左操作數(shù)所指對象的引用計數(shù)（如果引用計數(shù)為減至0，則刪除對象），并增加右操作數(shù)所指對象的引用計數(shù)；調(diào)用析構(gòu)函數(shù)時，構(gòu)造函數(shù)減少引用計數(shù)（如果引用計數(shù)減至0，則刪除基礎(chǔ)對象）。智能指針就是模擬指針動作的類。所有的智能指針都會重載->和*操作符，智能指針還有許多其它功能，比較有效的是自動銷毀。這主要是利用棧對象的有限作用域以及臨時對象（有限作用域?qū)崿F(xiàn)）析構(gòu)函數(shù)釋放內(nèi)存

#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}

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的c++11中智能指针的原理，使用，实现的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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