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    C++11 智能指针的具体使用

    作者:shunshunshun18 栏目:未分类 时间:2021-08-24 14:45:38

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    相关新闻:借版权之名、行诈骗之实,周某因犯诈骗罪被判处有期徒刑十一年六个月

    叹!百花齐放的时代,渐行渐远!



    智能指针的原理

    RAII

    RAII(Resource Acquisition Is Initialization)是一种利用对象生命周期来控制程序资源(如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等)的简单技术。

    在对象构造时获取资源,接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效,最后在对象析构的时候释放资源。 借此,我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处:

    • 不需要显式地释放资源。
    • 采用这种方式,对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

    我们使用RAII的思想设计SmartPtr类:

    template <class T>
    class SmartPtr
    {
    public:
    	SmartPtr(T* ptr)
    		:_ptr(ptr)
    	{}
    
        ~SmartPtr()
    	{
    		if (_ptr)
    		{
    			delete _ptr;
    			_ptr = nullptr;
    		}
    	}
    
    private:
    	T* _ptr;
    };
    

    智能指针的原理

    上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针,因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用,也可以通过->去访问所指空间中的内容 ,因此:SmartPtr模板类中还得需要将* 、->重载下,才可让其像指针一样去使用。

    template <class T>
    class SmartPtr
    {
    public:
    	SmartPtr(T* ptr)
    		:_ptr(ptr)
    	{}
    
    	T& operator*()
    	{
    		return *_ptr;
    	}
    
    	T* operator->()
    	{
    		return _ptr;
    	}
    
        ~SmartPtr()
    	{
    		if (_ptr)
    		{
    			delete _ptr;
    			_ptr = nullptr;
    		}
    	}
    
    private:
    	T* _ptr;
    };
    

    智能指针使用:

    在这里插入图片描述

    总结智能指针的原理:

    • RAII特性
    • 重载operator*和opertaor->,具有像指针一样的行为。

    auto_ptr

    1.auto_ptr的使用及问题

    auto_ptr的头文件#include<memory>

    auto_ptr的使用:

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    为什么此时访问sp的成员时会报错呢?我们来看看它们的地址。

    在这里插入图片描述

    我们发现在拷贝构造之后,sp管理的地址为空,而sp1管理的地址是之前sp所管理的地址,管理权发生了转移。那么上面所说的报错也很容易想通,因为sp管理的地址为空,不能进行访问。

    auto_ptr的问题:当对象拷贝或者赋值后,管理权进行转移,造成前面的对象悬空。auto_ptr问题是非常明显的,所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr。

    auto_ptr的实现原理:管理权转移的思想,下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理:

    template<class T>
    class AutoPtr
    {
    public:
    	AutoPtr(T* ptr)
    		:_ptr(ptr)
    	{}
    
    	//拷贝:管理权转移
    	AutoPtr(AutoPtr<T> &sp)
    		:_ptr(sp._ptr)
    	{
    		sp._ptr = nullptr;
    	}
    
    	//赋值:管理权转移
    	AutoPtr& operator=(AutoPtr<T> &sp)
    	{
    		if (this != &sp)
    		{
    			if (_ptr)
    				delete _ptr;
    			_ptr = sp._ptr;
    			sp._ptr = nullptr;
    		}
    		return *this;
    	}
    
    	~AutoPtr()
    	{
    		if (_ptr)
    		{
    			delete _ptr;
    			_ptr = nullptr;
    		}
    	}
    
    	T* operator->()
    	{
    		return _ptr;
    	}
    
    	T& operator*()
    	{
    		return *_ptr;
    	}
    
    private:
    	T* _ptr;
    };
    

    unique_ptr

    为了解决拷贝或者赋值时管理权转移的问题,出现了unique_ptr。

    unique_ptr解决问题的方式非常粗暴:防拷贝,也就是不让赋值和拷贝

    unique_ptr的使用:

    在这里插入图片描述

    unique_ptr的实现原理:简单粗暴的防拷贝,下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理:

    template<class T>
    class UniquePtr
    {
    public:
    
    	UniquePtr(T* ptr)
    		:_ptr(ptr)
    	{}
    
    	// C++11防拷贝的方式:delete
    	UniquePtr(const UniquePtr<T> &) = delete;
    
    	UniquePtr& operator=(const UniquePtr<T>&) = delete;
    
    	T* operator->()
    	{
    		return _ptr;
    	}
    
    	T& operator*()
    	{
    		return *_ptr;
    	}
    
    	~UniquePtr()
    	{
    		if (_ptr)
    		{
    			delete _ptr;
    			_ptr = nullptr;
    		}
    	}
    
    private:
    
    	//C++98防拷贝的方式:只声明不实现+声明成私有
    	//UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
    	//UniquePtr& operator=(UniquePtr<T> const &);
    
    	T* _ptr;
    };
    

    shared_ptr

    c++11中提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

    shared_ptr的使用

    在这里插入图片描述

    shared_ptr中拷贝与赋值都是没有问题的。

    shared_ptr的原理

    • shared_ptr的原理:是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。shared_ptr在其内部,给每个资源都维护了着一份计数,用来记录该份资源被几个对象共享。
    • 对象被销毁时(也就是析构函数调用),就说明自己不使用该资源了,对象的引用计数减一
    • 如果引用计数是0,就说明自己是最后一个使用该资源的对象,必须释放该资源;
    • 如果不是0,就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源,不能释放该资源,否则其他对象就成野指针了。

    shared_ptr中成员函数:use_count(对象数据的引用计数)

    示例:

    在这里插入图片描述

    示例详解:

    在这里插入图片描述

    利用引用计数简单的实现SharedPtr,了解原理:

    template<class T>
    class SharedPtr
    {
    public:
    	SharedPtr(T* ptr)
    		:_ptr(ptr)
    		,_count(new int(1))
    	{}
    
    	SharedPtr(const SharedPtr<T> &sp)
    		:_ptr(sp._ptr)
    		,_count(sp._count)
    	{
    		//计数器累加
    		++(*_count);
    	}
    
    	SharedPtr& operator=(const SharedPtr<T> &sp)
    	{
    		//判断管理的是否是同一份资源
    		if (_ptr != sp._ptr)
    		{
    			//计数-1,判断之前管理的资源是否需要释放
    			if ((--(*_count)) == 0)
    			{
    				delete _ptr;
    				delete _count;
    			}
    			
    			_ptr = sp._ptr;
    			_count = sp._count;
    
    			//计数器累加
    			++(*_count);
    		}
    		return *this;
    	}
    
    	T* operator->()
    	{
    		return _ptr;
    	}
    	
    	T& operator*()
    	{
    		return *_ptr;
    	}
    
    	~SharedPtr()
    	{
    		if (--(*_count) == 0)
    		{
    			delete _ptr;
    			delete _count;
    			_ptr = nullptr;
    			_count = nullptr;
    		}
    	}
    
    private:
    	T* _ptr;
    	int* _count;//给每份资源开辟一个计数器
    };
    

    但是还存在一个线程安全的问题:

    1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的,两个线程中智能指针的引用计数同时++或–,这个操作不是原子的,引用计数原来是1,++了两次,可能还是2。这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、- -是需要加锁的,也就是说引用计数的操作是线程安全的。
    2. 智能指针管理的对象存放在堆上,两个线程中同时去访问,会导致线程安全问题。

    这里我们通过加锁来解决线程安全问题:

    template<class T>
    class SharedPtr
    {
    public:
    	SharedPtr(T* ptr)
    		:_ptr(ptr)
    		,_count(new int(1))
    		,_mutex(new mutex)
    	{}
    
    	SharedPtr(const SharedPtr<T> &sp)
    		:_ptr(sp._ptr)
    		,_count(sp._count)
    		,_mutex(sp._mutex)
    	{
    		//计数器累加
    		AddCount();
    	}
    
    	SharedPtr& operator=(const SharedPtr<T> &sp)
    	{
    		//判断管理的是否是同一份资源
    		if (_ptr != sp._ptr)
    		{
    			//计数-1,判断之前管理的资源是否需要释放
    			if (SubCount() == 0)
    			{
    				delete _ptr;
    				delete _count;
    				delete _mutex;
    			}
    			
    			_ptr = sp._ptr;
    			_count = sp._count;
    			_mutex = sp._mutex;
    
    				//计数器累加
    			AddCount();
    		}
    		return *this;
    	}
    
    	//线程安全的累加器
    	int AddCount()
    	{
    		//加锁
    		_mutex->lock();
    		++(*_count);
    		_mutex->unlock();
    		return *_count;
    	}
    
    	int SubCount()
    	{
    		_mutex->lock();
    		--(*_count);
    		_mutex->unlock();
    		return *_count;
    	}
    
    	T* operator->()
    	{
    		return _ptr;
    	}
    	
    	T& operator*()
    	{
    		return *_ptr;
    	}
    
    	~SharedPtr()
    	{
    		if (SubCount() == 0)
    		{
    			delete _ptr;
    			delete _count;
    			delete _mutex;
    			_ptr = nullptr;
    			_count = nullptr;
    			_mutex = nullptr;
    		}
    	}
    	
    private:
    	T* _ptr;
    	int* _count;//给每份资源开辟一个计数器
    	mutex* _mutex; //每一份资源有一个独立的锁
    };
    
    

    shared_ptr的循环引用

    循环引用的场景:

    struct ListNode
    {
    	int _data; 
        shared_ptr<ListNode> _prev;
    	shared_ptr<ListNode> _next;
    	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
    };
    
    void test()
    {
    	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
    
    	node1->_next = node2;
    	node2->_prev = node1;
    } 
    

    在这里插入图片描述

    node1和node2两个智能指针对象指向两个节点,两个节点的引用计数都是1。node1->next指向node2,node2->prev指向node1,两个节点的引用计数都变成2。程序运行完之后,析构node1和node2,node1和node2所指向的节点引用计数分别减1,但是node1->next指向下面节点,node2->prev指向上面节点,此时,两个节点的引用计数都为1,所以两个节点不能析构。

    引用计数为0时,如果要析构node1节点,就先要去析构node1中的自定义结构,然后再析构node1。也就是说node1->next析构了,node2就释放了;node2->prev析构了,node1就释放了。但是_next属于node的成员,node1释放了,_next才会析构,而node1由_prev管理,_prev属于node2成员,所以这就叫循环引用,谁也不会释放。

    解决方案:
    在引用计数的场景下,把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
    原理就是,node1->_next = node2和node2->_prev = node1时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数

    weak_ptr最大作用就是解决shared_ptr的循环引用

    struct ListNode
    {
    	int _data; 
        weak_ptr<ListNode> _prev;
    	weak_ptr<ListNode> _next;
    	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
    };
    void test()
    {
    	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
    
    	node1->_next = node2;
    	node2->_prev = node1;
    } 
    

    注意:
    weak_ptr不能单独使用,可以用shared_ptr创建

    	//weak_ptr错误使用
    	weak_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    
    	//weak_ptr正确使用
    	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
    	weak_ptr<ListNode> node3(node2);