C++标准库——智能指针

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目录

• auto_ptr
• unique_ptr
• shared_ptr
  • shared_ptr是如何实现共享式指针？
• weak_ptr
• 如何使用智能指针
• 参考

auto_ptr

auto_ptr是C++11前标准库提供的一种智能指针，它具有unique_ptr的部分特性，但不是全部。特别是，我们不能在容器中保存auto_ptr，也不能从函数中返回auto_ptr。

其功能如下：

• 支持拷贝构造
• 支持赋值拷贝
• 支持operator->/operator*解引用
• 支持指针变量重置
• 保证指针持有者唯一

它最大的限制是，为了保证所有权唯一，在拷贝复制后，会将原auto_ptr中管理的指针置空，此时再次操作原auto_ptr会导致空指针。这违反了赋值操作通常不改变源对象的常规预期。
例子：

        int *pi = new int(3);
        std::auto_ptr<int> ap(pi);
        std::auto_ptr<int> bp = ap;
        std::cout << *bp << std::endl;
        std::cout << *ap << std::endl;	// 空指针
        std::cout << *pi << std::endl;

运行结果：

3
Segmentation fault (core dumped)

因此，在C++11中被弃用，并最终在c++17中移除出去。

unique_ptr

unique_ptr提供了一种严格的所有权语义：

• 一个unique_ptr拥有一个对象，它保存一个指针指向该对象。即，unique_ptr有责任用所保存的指针销毁所指向的对象
• unique_ptr不能拷贝（没有拷贝构造函数和拷贝赋值操作），但可以移动
• unique_ptr保存一个指针，当他自身被销毁时，使用关联的释放器（如果有的话）释放所指向的对象（默认版本使用delete来释放）

unique_ptr的用途包括：

• 为动态分配的内存提供异常安全
• 将动态分配内存的所有权传递给函数
• 从函数返回动态分配的内存
• 在容器中保存指针

我们可以将unique_ptr理解为一个简单指针（“包含指针”）或（如果有释放器的话）一对指针：

C++11标准库没有提供类似make_shared()的创建unique_ptr和函数make_unique，但是在c++14后便准库提供了，基本实现：

template< class T, class... Args >
unique_ptr<T> make_unique( Args&&... args )
{
	unique_ptr<T>(new T(std::forward<Args>(args)...))
}

shared_ptr

shared_ptr表示共享所有权。shared_ptr是一种计数指针，当计数变成0时释放所指向的对象。可以将shared_ptr理解为包含两个指针的结构：一个指针指向对象，一个指针指向计数器：

释放器deleter用来在计数器变成0时释放共享对象。默认释放器通常是delete（调用对象的析构函数并释放自由存储空间）。

shared_ptr是如何实现共享式指针？

在C++中，std::shared_ptr 是一种智能指针，用于管理动态分配的对象，并支持多个指针实例共享同一个对象的所有权。shared_ptr 通过引用计数来实现这一点。
主要实现机制：

1. 引用计数：

   • 每个 shared_ptr 对象持有一个指向动态分配对象的原始指针，以及一个引用计数（通常是一个整型）。
   • 当一个新的 shared_ptr 被创建并指向同一个对象时，引用计数会增加。
   • 当 shared_ptr 被销毁或重置（reset）时，引用计数会减少。
   • 当引用计数变为零时，表明没有任何 shared_ptr 实例再指向该对象，自动释放该对象的内存。

2. 控制块（Control Block）：

   • shared_ptr 通常会管理一个控制块，除了一些其他信息（如自定义删除器），还保存引用计数（强引用计数和弱引用计数）。
   • 控制块存储了与所管理对象相关的所有信息，包括对对象的原始指针的引用。

3. 线程安全：

   • shared_ptr 的引用计数更新是线程安全的，允许在多线程环境中安全地共享 shared_ptr。

4. 拷贝和赋值：

   • 当复制一个 shared_ptr 时，引用计数会增加，新的 shared_ptr 和原有的指针共同拥有同一个对象。
   • 赋值操作会首先检查新指针是否与旧指针相同，若不同则减少旧指针的引用计数并可能删除对象。

shared_ptr的一些限制：

• shared_ptr的循环链表会导致资源泄漏，使用weak_ptr可以打破循环
• 比起限定作用域的对象，共享所有权的对象会保持更长时间的活跃（因此会导致更高的平均资源占用）
• 多线程环境中的共享指针代价很高（因为要保证线程安全，要防止使用计数上的数据竞争）
• 共享对象析构函数的执行时间不可预测，共享对象的更新算法/逻辑比普通对象的相应算法/逻辑更容易出错。
• 如果单一（最后的）结点保持一个大数据结构活跃，释放它所导致的析构函数层叠调用会导致严重的“垃圾收集延迟”，不利于实时响应。

当可以选择时：

• 优先选择unique_ptr而不是shared_ptr
• 优先选择普通限域对象而不是在堆中分配空间、由unique_ptr管理所有权的对象。

weak_ptr

weak_ptr指向一个shared_ptr所管理的对象。为了访问对象，可使用成员函数lock()将weak_ptr转换为shared_ptr。weak_ptr允许访问他人拥有的对象：

• 仅当对象存在时你才需要访问它
• 对象可能在任何时间被（其他人）释放
• 在对象最后一次被使用后必须调用其析构函数（通常释放非内存资源）

可以将一个weak_ptr理解为两个指针：一个指针指向（可能是共享的）对象，另一个指针指向此对象的shared_ptr的使用计数：

若使用计数器用来保持使用计数结构活跃，因为在对象的最后一个shared_ptr的声明期结束后，仍可能有weak_ptr活跃。
对weak_ptr而言，为了访问它的对象，必须将它转换成shared_ptr。

std::weak_ptr 的作用

std::weak_ptr 是一种智能指针，它不影响被管理对象的引用计数。它提供了一种解决 std::shared_ptr 潜在问题的有效方式：

• 打破循环引用: 在有多个 std::shared_ptr 相互引用的情况下，使用 std::weak_ptr 可以避免循环引用的产生。例如，假设有两个类 A 和 B，每个类都有一个指向对方的 std::shared_ptr。如果 A 持有 B 的 std::shared_ptr，而 B 也持有 A 的 std::shared_ptr，那么它们的引用计数将永远大于零。此时，如果把 B 的指针改为 std::weak_ptr，则 B 只在 A 使用它时引用 A，不会导致引用计数增加，从而允许它们的内存最终被释放。
• 观察者模式: std::weak_ptr 常用于实现观察者模式。可以有多个观察者持有一个对象的 std::weak_ptr，而这个对象的生命期并不依赖于它们。这样，当被观察的对象被销毁时，观察者不会阻止它的销毁。
• 避免悬空指针: 使用 std::weak_ptr 可以安全地检查和使用对象。你可以通过调用 lock() 方法来获得一个 std::shared_ptr，这个方法会返回一个有效的 shared_ptr，如果底层对象已被释放，则返回一个空的 shared_ptr。这机制确保了在使用被指向的对象时，能够有效地避免悬空指针导致的问题。

如何使用智能指针

在C++中，使用智能指针的情况通常包括以下几种：

• 动态内存管理：当你使用new运算符创建对象时，智能指针可以帮助自动管理内存，避免内存泄露。在对象的生命周期结束时，智能指针会自动释放内存。、
• 异常安全性：智能指针确保在发生异常时，资源能够被正确释放。使用原始指针时，如果在delete之前抛出了异常，可能会导致内存泄露。
• 共享所有权：当多个对象或函数需要共享一个对象的所有权时，可以使用std::shared_ptr。这样可以确保对象在最后一次引用被释放时才会被销毁。
• 独占所有权：当你希望某个对象只能有一个拥有者时，可以使用std::unique_ptr。这可以防止意外的拷贝和共享，确保资源的唯一性。
• 自定义删除器：如果你需要在删除对象时执行特定的操作，可以使用智能指针的自定义删除器功能。例如，std::unique_ptr可以接受一个自定义的删除器函数。
• 简化代码：智能指针的使用可以减少手动管理内存的代码，使得代码更加简洁和易于维护。
• 避免悬挂指针：因为智能指针会在退出作用域时自动释放其管理的资源，避免了悬挂指针的风险。

综上所述，在需要动态管理资源、确保内存安全、简化内存管理代码的情况下，应优先考虑使用智能指针而不是原始指针。

参考

auto_ptr
weak_ptr
shared_ptr
unique_ptr

cpp11新特性之智能指针（上）：关于auto_ptr的一切
cpp11新特性之智能指针（下）：深入理解现代cpp中的智能指针shared_ptr、unique_ptr 以及 weak_ptr