智能指针

芝士wa
2024.4.8
参考视频链接

概述

C++的指针包括两种：

原始指针
智能指针：unique_ptr,shared_ptr,weak_ptr

智能指针是原始指针的封装，其优点是会自动分配内存，不用担心潜在的内存泄漏。

各种指针中，最常用的是裸指针，其次是unique_ptr和shared_ptr

weak_ptr是shared_ptr的一个补充，应用场景较少

智能指针只解决一部分问题，即独占/共享所有权指针的释放、传输

auto_ptr被C++抛弃的主要原因

复制或者赋值都会改变资源的所有权
```
 auto_ptr<string> p1(new string("a"));
 auto_ptr<string> p2(new string("b"));
 
 p1 = p2;
```
当p2赋值给p1后，首先p1会将自己原先托管的指针释放掉，然后接受p2所托管的指针，p2指向NULL。
在STL容器中使用auto_ptr存在着重大风险，因为容器内的元素必须支持可复制和可赋值
不支持对象数组的内存管理

auto_ptr<int[]> array(new int[5]);//不能这样定义

unique_ptr

在任何时刻，只能有一个指针管理内存，两个unique_ptr不能指向同一个资源
当指针超过作用域时，内存将自动释放
该类型指针不可copy，只可以move
在容器中保存指针是安全的

三种创建方式

通过已有裸指针创建
通过new来创建
通过std::make_unique创建（推荐）

创建一个空的unique_ptr对象：

  std::unique_ptr<int> ptr;//空指针

使用原始指针创建，将一个new操作符返回的指针传递给unique_ptr的构造函数，

  std::unique_ptr<class> ptr(new class());
  std::unique_ptr<class> ptr = std::unique_ptr<class>(new class());
  //以上两句代码是等价的，第一句使用了直接初始化，第二句创建了一个临时对象，然后将该临时对象复制给ptr

不能通过赋值的方法创建对象，下面的这句是错误的

  std::unique_ptr<class> ptr = new class();//error

C++14引入了std::make_unique创建unique_ptr对象，可以使用std:::make_unique()函数创建

  std::unique_ptr<class> ptr = std::make_unique<class>();

推荐使用make_unique方法。

unique_ptr的操作

使用get()函数获取管理对象的指针

   class *p1 = ptr.get();//get()会返回地址

重置对象
在unique_ptr对象上调用reset()函数将重置它，释放原始指针并置空

  ptr.reset();

检查unique_ptr对象是否为空

 // 方法1
    if(!ptr)
    	std::cout<<"ptr is empty"<<std::endl;
    // 方法2
    if(ptr == nullptr)
    	std::cout<<"ptr is empty"<<std::endl;

无法进行复制构造和赋值操作

 int main() 
  {
     // 创建一个unique_ptr实例
      unique_ptr<int> pInt(new int(5));
      unique_ptr<int> pInt2(pInt);    // 报错
      unique_ptr<int> pInt3 = pInt;   // 报错
  }

使用move函数移交所有权

   std::unique_ptr<class> p1 = std::make_unique<class>();
    std::unique_ptr<class> p2 = std::make_unique<class>();
    p2 = p1.move();//此时p1置空，p2获得p1原先指向对象的所有权。

unique_ptr可以作为函数返回值
释放关联的原始指针
在 unique_ptr 对象上调用 release()将释放其关联的原始指针的所有权，并返回原始指针。这里是释放所有权，并没有delete原始指针，reset()会delete原始指针。

shared_ptr

采用引用计数的办法，可以记录引用特定内存对象的智能指针数量，当复制或拷贝时，引用计数加1，当智能指针析构时，引用计数减1，如果计数为零，代表已经没有指针指向这块内存，那么我们就释放它。这就是shared_ptr采用的策略。

创建方法

默认构造函数

 std::shared_ptr<T> ptr;//空指针

使用裸指针进行构造

  std::shared_ptr<T> ptr(new T);

拷贝构造

   std::shared_ptr<T> ptr1;
   std::shared_ptr<T> ptr2(ptr1);//两个指针指向相同的资源，共同管理其生命周期

使用自定义删除器进行构造

 std::shared_ptr<T> ptr(new T, deleter);//删除器是一个函数或函数对象，用于在 std::shared_ptr 对象释放资源时执行自定义的清理操作。

使用自定义删除器和分配器进行构造

 std::shared_ptr<T> ptr(new T, deleter, allocator);//配器用于在 std::shared_ptr 对象需要重新分配内存时进行内存分配操作。

推荐使用make_shared方法

  std::shared_ptr<int> ptr = std::make_shared<int>(42);

通过 std::make_shared 创建的 std::shared_ptr 具有以下优点：

内存分配是一次性完成的，同时包含对象和控制块，减少了内存开销。
更安全，避免了裸指针的使用，因为 std::make_shared 会处理资源的释放。
更高效，因为 std::make_shared 可以对内存进行更优化的管理。

shared_ptr操作

引用计数
调用use_count函数可以获得当前托管指针的引用计数
管理动态数组

  std::shared_ptr<int[]> ptr(new int[5]);

主动释放对象

      shared_ptrr<int> up1(new int(10));
      up1 = nullptr ;	// int(10) 的引用计数减1,计数归零内存释放

重置

      p.reset() ; //将p重置为空指针，所管理对象引用计数减1
      p.reset(p1); //将p重置为p1（的值）,p 管控的对象计数减1，p接管对p1指针的管控
      p.reset(p1,d); //将p重置为p1（的值），p 管控的对象计数减1并使用d作为删除器

交换

      std::swap(p1,p2); // 交换p1 和p2 管理的对象，原对象的引用计数不变
      p1.swap(p2);    // 交换p1 和p2 管理的对象，原对象的引用计数不变

weak_ptr

weak_ptr指针通常不单独使用，只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用。将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放。即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放。
weak_ptr并没有重载operator->和operator *操作符，因此不可直接通过weak_ptr使用对象，典型的用法是调用其lock函数来获得shared_ptr示例，进而访问原始对象。

构造方法

  shared_ptr<class T> sp;
  weak_ptr wp;     //定义为空的弱指针
  weak_ptr wp2(sp);//使用共享指针构造
  wp2 = sp;        //允许共享指针赋值给弱指针

操作方法

弱指针也可以获得引用计数，但不能改变引用计数

  wp.use_count();

弱指针不支持*和->对指针的访问
可以转换成共享指针lock()
lock()函数：如果当前 weak_ptr 已经过期，则该函数会返回一个空的 shared_ptr 指针；反之，该函数返回一个和当前 weak_ptr 指向相同的 shared_ptr 指针。

  shared_ptr<class T> sp_T;
  sp_T = wp.lock();

  sp_T = nullptr;

重置
reset()函数：将当前 weak_ptr 指针置为空指针。
expired()

判断当前 weak_ptr 指针为否过期（指针为空，或者指向的堆内存已经被释放）

死锁问题

如果有两个shared_ptr相互引用，那么这两个shared_ptr指针的引用计数永远不会下降为0，资源永远不会释放。
举例：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
using namespace std;

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());
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
    shared_ptr<A> pa(new A());
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//1

    pb->pa_ = pa;
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//1
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
    pa->pb_ = pb;
    //由于share_ptr是共享资源，所以pb所指向的资源的引用计数也会加1
    cout << "pb.use_count " << pb.use_count() << endl;//2
    cout << "pa.use_count " << pa.use_count() << endl;//2
}//程序结束时，没有调用A和B的析构函数

int main()
{
    fun();
    system("pause");
    return 0;
}

为了解决死锁问题，采用weak_ptr，把A中的shared_ptr pb_ 改为weak_ptr pb_weak，传递时不会增加计数，最终能使资源正常释放。

posted @ 2024-04-18 14:55 芝士wa 阅读(67) 评论(0) 收藏举报

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