C++智能指针及其简单实现

  本文将简要介绍智能指针shared_ptr和unique_ptr,并简单实现基于引用计数的智能指针。

使用智能指针的缘由

  1. 考虑下边的简单代码:

1 int main()
2 {
3     int *ptr = new int(0);
4     return 0;
5 }

   就如上边程序,我们有可能一不小心就忘了释放掉已不再使用的内存,从而导致资源泄漏(resoure leak,在这里也就是内存泄漏)。

   2. 考虑另一简单代码:

1 int main()
2 {
3     int *ptr = new int(0);
4     delete ptr;
5     return 0;
6 }

  我们可能会心想,这下程序应该没问题了?可实际上程序还是有问题。上边程序虽然最后释放了申请的内存,但ptr会变成空悬指针(dangling pointer,也就是野指针)。空悬指针不同于空指针(nullptr),它会指向“垃圾”内存,给程序带去诸多隐患(如我们无法用if语句来判断野指针)。

  上述程序在我们释放完内存后要将ptr置为空,即:

1 ptr = nullptr;

  除了上边考虑到的两个问题,上边程序还存在另一问题:如果内存申请不成功,new会抛出异常,而我们却什么都没有做!所以对这程序我们还得继续改进(也可用try...catch...):

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     int *ptr = new(nothrow) int(0);
 7     if(!ptr)
 8     {
 9         cout << "new fails."
10         return 0;
11     }
12     delete ptr;
13     ptr = nullptr;
14     return 0;
15 }

  3. 考虑最后一简单代码:

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     int *ptr = new(nothrow) int(0);
 7     if(!ptr)
 8     {
 9         cout << "new fails."
10         return 0;
11     }
12     // 假定hasException函数原型是 bool hasException()
13     if (hasException())
14         throw exception();
15     
16     delete ptr;
17     ptr = nullptr;
18     return 0;
19 }

  当我们的程序运行到“if(hasException())”处且“hasException()”为真,那程序将会抛出一个异常,最终导致程序终止,而已申请的内存并没有释放掉。

  当然,我们可以在“hasException()”为真时释放内存:

1 // 假定hasException函数原型是 bool hasException()
2 if (hasException())
3 {
4         delete ptr;
5         ptr = nullptr;
6         throw exception();
7 }

  但,我们并不总会想到这么做。而且,这样子做也显得麻烦,不够人性化。

  

  如果,我们使用智能指针,上边的问题我们都不用再考虑,因为它都已经帮我们考虑到了。

  因此,我们使用智能指针的原因至少有以下三点:

  1)智能指针能够帮助我们处理资源泄露问题;

  2)它也能够帮我们处理空悬指针的问题;

  3)它还能够帮我们处理比较隐晦的由异常造成的资源泄露。

智能指针

  自C++11起,C++标准提供两大类型的智能指针:

  1. Class shared_ptr实现共享式拥有(shared ownership)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(reference)被销毁”时候释放。为了在结构复杂的情境中执行上述工作,标准库提供了weak_ptr、bad_weak_ptr和enable_shared_from_this等辅助类。

  2. Class unique_ptr实现独占式拥有(exclusive ownership)或严格拥有(strict ownership)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(resourece leak)——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。

  注:C++98中的Class auto_ptr在C++11中已不再建议使用。

shared_ptr

  几乎每一个有分量的程序都需要“在相同时间的多处地点处理或使用对象”的能力。为此,我们必须在程序的多个地点指向(refer to)同一对象。虽然C++语言提供引用(reference)和指针(pointer),还是不够,因为我们往往必须确保当“指向对象”的最末一个引用被删除时该对象本身也被删除,毕竟对象被删除时析构函数可以要求某些操作,例如释放内存或归还资源等等。

  所以我们需要“当对象再也不被使用时就被清理”的语义。Class shared_ptr提供了这样的共享式拥有语义。也就是说,多个shared_ptr可以共享(或说拥有)同一对象。对象的最末一个拥有者有责任销毁对象,并清理与该对象相关的所有资源。

  shared_ptr的目标就是,在其所指向的对象不再被使用之后(而非之前),自动释放与对象相关的资源。

  下边程序摘自《C++标准库(第二版)》5.2.1节:

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 #include <vector>
 4 #include <memory>
 5 using namespace std;
 6 
 7 int main(void)
 8 {
 9     // two shared pointers representing two persons by their name
10     shared_ptr<string> pNico(new string("nico"));
11     shared_ptr<string> pJutta(new string("jutta"),
12             // deleter (a lambda function) 
13             [](string *p)
14             { 
15                 cout << "delete " << *p << endl;
16                 delete p;
17             }
18         );
19 
20     // capitalize person names
21     (*pNico)[0] = 'N';
22     pJutta->replace(0, 1, "J");
23 
24     // put them multiple times in a container
25     vector<shared_ptr<string>> whoMadeCoffee;
26     whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
27     whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
28     whoMadeCoffee.push_back(pNico);
29     whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
30     whoMadeCoffee.push_back(pNico);
31 
32     // print all elements
33     for (auto ptr : whoMadeCoffee)
34         cout << *ptr << " ";
35     cout << endl;
36 
37     // overwrite a name again
38     *pNico = "Nicolai";
39 
40     // print all elements
41     for (auto ptr : whoMadeCoffee)
42         cout << *ptr << " ";
43     cout << endl;
44 
45     // print some internal data
46     cout << "use_count: " << whoMadeCoffee[0].use_count() << endl;
47 
48     return 0;
49 }

  程序运行结果如下:

  

  关于程序逻辑可见下图:

  

  关于程序的几点说明:

  1)对智能指针pNico的拷贝是浅拷贝,所以当我们改变对象“Nico”的值为“Nicolai”时,指向它的指针都会指向新值。

  2)指向对象“Jutta”的有四个指针:pJutta和pJutta的三份被安插到容器内的拷贝,所以上述程序输出的use_count为4。

  4)shared_ptr本身提供默认内存释放器(default deleter),调用的是delete,不过只对“由new建立起来的单一对象”起作用。当然我们也可以自己定义内存释放器,就如上述程序。不过值得注意的是,默认内存释放器并不能释放数组内存空间,而是要我们自己提供内存释放器,如:

1 shared_ptr<int> pJutta2(new int[10],
2         // deleter (a lambda function) 
3         [](int *p)
4         { 
5             delete[] p;
6         }
7     );

   或者使用为unique_ptr而提供的辅助函数作为内存释放器,其内调用delete[]:

1 shared_ptr<int> p(new int[10], default_delete<int[]>());

unique_ptr

  unique_ptr是C++标准库自C++11起开始提供的类型。它是一种在异常发生时可帮助避免资源泄露的智能指针。一般而言,这个智能指针实现了独占式拥有概念,意味着它可确保一个对象和其相应资源同一时间只被一个指针拥有。一旦拥有者被销毁或变成空,或开始拥有另一个对象,先前拥有的那个对象就会被销毁,其任何相应资源也会被释放。

  现在,本文最开头的程序就可以写成这样啦:

1 #include <memory>
2 using namespace std;
3 
4 int main()
5 {
6     unique_ptr<int> ptr(new int(0));
7     return 0;
8 }

智能指针简单实现

  基于引用计数的智能指针可以简单实现如下(详细解释见程序中注释):

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 template<class T>
 5 class SmartPtr
 6 {
 7 public:
 8     SmartPtr(T *p);
 9     ~SmartPtr();
10     SmartPtr(const SmartPtr<T> &orig);                // 浅拷贝
11     SmartPtr<T>& operator=(const SmartPtr<T> &rhs);    // 浅拷贝
12 private:
13     T *ptr;
14     // 将use_count声明成指针是为了方便对其的递增或递减操作
15     int *use_count;
16 };
17 
18 template<class T>
19 SmartPtr<T>::SmartPtr(T *p) : ptr(p)
20 {
21     try
22     {
23         use_count = new int(1);
24     }
25     catch (...)
26     {
27         delete ptr;
28         ptr = nullptr;
29         use_count = nullptr;
30         cout << "Allocate memory for use_count fails." << endl;
31         exit(1);
32     }
33 
34     cout << "Constructor is called!" << endl;
35 }
36 
37 template<class T>
38 SmartPtr<T>::~SmartPtr()
39 {
40     // 只在最后一个对象引用ptr时才释放内存
41     if (--(*use_count) == 0)
42     {
43         delete ptr;
44         delete use_count;
45         ptr = nullptr;
46         use_count = nullptr;
47         cout << "Destructor is called!" << endl;
48     }
49 }
50 
51 template<class T>
52 SmartPtr<T>::SmartPtr(const SmartPtr<T> &orig)
53 {
54     ptr = orig.ptr;
55     use_count = orig.use_count;
56     ++(*use_count);
57     cout << "Copy constructor is called!" << endl;
58 }
59 
60 // 重载等号函数不同于复制构造函数,即等号左边的对象可能已经指向某块内存。
61 // 这样,我们就得先判断左边对象指向的内存已经被引用的次数。如果次数为1,
62 // 表明我们可以释放这块内存;反之则不释放,由其他对象来释放。
63 template<class T>
64 SmartPtr<T>& SmartPtr<T>::operator=(const SmartPtr<T> &rhs)
65 {
66     // 《C++ primer》:“这个赋值操作符在减少左操作数的使用计数之前使rhs的使用计数加1,
67     // 从而防止自身赋值”而导致的提早释放内存
68     ++(*rhs.use_count);
69 
70     // 将左操作数对象的使用计数减1,若该对象的使用计数减至0,则删除该对象
71     if (--(*use_count) == 0)
72     {
73         delete ptr;
74         delete use_count;
75         cout << "Left side object is deleted!" << endl;
76     }
77 
78     ptr = rhs.ptr;
79     use_count = rhs.use_count;
80     
81     cout << "Assignment operator overloaded is called!" << endl;
82     return *this;
83 }

  测试程序如下:

 1 #include <iostream>
 2 #include "smartptr.h"
 3 using namespace std;
 4 
 5 int main()
 6 {
 7     // Test Constructor and Assignment Operator Overloaded
 8     SmartPtr<int> p1(new int(0));
 9     p1 = p1;
10     // Test Copy Constructor
11     SmartPtr<int> p2(p1);
12     // Test Assignment Operator Overloaded
13     SmartPtr<int> p3(new int(1));
14     p3 = p1;
15     
16     return 0;
17 }

  测试结果如下:

  

参考资料

  《C++标准库(第二版)》  

  C++中智能指针的设计和使用

 

posted @ 2015-07-14 15:21  峰子_仰望阳光  阅读(22873)  评论(5编辑  收藏