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[C++知识库]C++11---智能指针

作者:recommend-item-box type_blog clearfix

C++11和boost中智能指针的关系

C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的
scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

RAII扩展学习

RAII思想除了可以用来设计智能指针，还可以用来设计守卫锁，防止异常安全导致的死锁问题。

#include <thread>
#include <mutex>
// C++11的库中也有一个lock_guard，下面的LockGuard造轮子其实就是为了学习他的原理
template<class Mutex>
class LockGuard
{
public:
 LockGuard(Mutex& mtx)
 :_mutex(mtx)
 {
 _mutex.lock();
 }
 ~LockGuard()
 {
 _mutex.unlock();
 }
 LockGuard(const LockGuard<Mutex>&) = delete;
private:
 // 注意这里必须使用引用，否则锁的就不是一个互斥量对象
 Mutex& _mutex;
};
mutex mtx;
static int n = 0;
void Func()
{
 for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i)
 {
 LockGuard<mutex> lock(mtx);
 ++n;
 }
}
int main()
{
 int begin = clock();
 thread t1(Func);
 thread t2(Func);
 t1.join();
 t2.join();
 int end = clock();
 cout << n << endl;
 cout <<"cost time:" <<end - begin << endl;
 
 return 0;
}

为什么需要

分析一下下面这段程序有没有什么内存方面的问题

#include
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{
if (left >= right) return;
int mid = left + ((right - left) >> 1);
// [left, mid]
// [mid+1, right]
_MergeSort(a, left, mid, tmp);
_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);
int begin1 = left, end1 = mid;
int begin2 = mid + 1, end2 = right;
int index = left;
while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)
{
if (a[begin1] < a[begin2])
tmp[index++] = a[begin1++];
else
tmp[index++] = a[begin2++];
}
while (begin1 <= end1)
tmp[index++] = a[begin1++];
while (begin2 <= end2)
tmp[index++] = a[begin2++];
memcpy(a + left, tmp + left, sizeof(int)(right - left + 1));
}
void MergeSort(int a, int n)
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
// 这里假设处理了一些其他逻辑
vector v(1000000000, 10);
// …
// free(tmp);
}
int main()
{
int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
MergeSort(a, 5);
return 0;
}

问题分析：上面的问题分析出来我们发现有以下两个问题？

malloc出来的空间，没有进行释放，存在内存泄漏的问题。
异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常，那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安
全。

# 内存泄漏

内存泄漏的危害

内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
{
// 1.内存申请了忘记释放
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
int* p2 = new int;
// 2.异常安全问题
int* p3 = new int[10];
Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
delete[] p3;
}

如何避免

工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状
态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保
证。
采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下:

内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。

#智能指针原理

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。

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
void MergeSort(int* a, int n)
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
// 讲tmp指针委托给了sp对象，用时老师的话说给tmp指针找了一个可怕的女朋友！天天管着你，直到
你go die^^
SmartPtr sp(tmp);
// _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
// 这里假设处理了一些其他逻辑
vector v(1000000000, 10);
// …
}
int main()
{
try {
int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
MergeSort(a, 5);
}
catch(const exception& e)
{
cout<<e.what()<<endl;
}
return 0;
}

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：AutoPtr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 SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*() {return _ptr;}
T operator->() {return _ptr;}
private:
T* _ptr;
};
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
SmartPtr sp1(new int);
*sp1 = 10
cout<<*sp1<<endl;
SmartPtr sparray(new Date);
// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
sparray->_year = 2018;
sparray->_month = 1;
sparray->_day = 1;
}

总结一下智能指针的原理：

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

std::auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。

// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include <memory>
class Date
{
public:
 Date() { cout << "Date()" << endl;}
 ~Date(){ cout << "~Date()" << endl;}
 int _year;
 int _month;
 int _day;
};
int main()
{
 auto_ptr<Date> ap(new Date);
 auto_ptr<Date> copy(ap);
 // auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
 // C++98中设计的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
 ap->_year = 2018;
 return 0;
}

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

// 模拟实现一份简答的AutoPtr,了解原理
template<class T>
class AutoPtr
{
public:
 AutoPtr(T* ptr = NULL)
 : _ptr(ptr)
 {}
 
 ~AutoPtr()
 {
 if(_ptr)
 delete _ptr;
 }
 
 // 一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另ap与其所管理资源断开联系，
 // 这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题
 AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
 : _ptr(ap._ptr)
 {
 ap._ptr = NULL;
 }
 
 AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
 {
 // 检测是否为自己给自己赋值
 if(this != &ap)
 {
 // 释放当前对象中资源
 if(_ptr)
 delete _ptr;
 
 // 转移ap中资源到当前对象中
 _ptr = ap._ptr;
 ap._ptr = NULL;
 }
 
 return *this;
 }
 
 T& operator*() {return *_ptr;}
 T* operator->() { return _ptr;}
private:
 T* _ptr;
};
int main()
{
 AutoPtr<Date> ap(new Date);
 
 // 现在再从实现原理层来分析会发现，这里拷贝后把ap对象的指针赋空了，导致ap对象悬空
 // 通过ap对象访问资源时就会出现问题。
 AutoPtr<Date> copy(ap);
 ap->_year = 2018;
 return 0;
}

class ato {
private:
	T* t;
public:
	ato(T* t):t(t) {}
	~ato() {
		delete t;
	}
	ato(ato<T>& pa)
		:t(pa.t) {
		pa.t = nullptr;
	}
	T& operator *() {
		return *t;
	}
	T* operator->() {
		return t;
	}

};

在这里插入图片描述
现在再从实现原理层来分析会发现，这里拷贝后把s对象的指针赋空了，导致ss对象悬空

auto_ptr缺点资源转移，会导致拷贝时源对象悬空。

std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr

int main()
{
 unique_ptr<Date> up(new Date);
 
 // unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。
 unique_ptr<Date> copy(ap);
 return 0;
}

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

// 模拟实现一份简答的UniquePtr,了解原理
template<class T>
class UniquePtr
{
public:
 UniquePtr(T * ptr = nullptr) 
 : _ptr(ptr)
 {}
 ~UniquePtr() 
 {
 if(_ptr)
 delete _ptr;
 }
 T& operator*() {return *_ptr;}
 T* operator->() {return _ptr;}
 
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 &);
 
 // C++11防拷贝的方式：delete防拷贝
 UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
 UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;
 
private:
 T * _ptr;
};

std::shared_ptr

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

int main()
{
 // shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝
 shared_ptr<Date> sp(new Date);
 shared_ptr<Date> copy(sp);
 cout << "ref count:" << sp.use_count() << endl;
 cout << "ref count:" << copy.use_count() << endl;
 return 0;
}

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。
在对象被销毁时(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。

// 模拟实现一份简答的SharedPtr,了解原理
#include <thread>
#include <mutex>
template <class T>
class SharedPtr
{
public:
 SharedPtr(T* ptr = nullptr)
 : _ptr(ptr)
 , _pRefCount(new int(1))
 , _pMutex(new mutex)
 {}
 ~SharedPtr() {Release();}
 SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
 : _ptr(sp._ptr)
 , _pRefCount(sp._pRefCount)
 , _pMutex(sp._pMutex)
 {
 AddRefCount();
 }
 // sp1 = sp2
 SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
 {
 //if (this != &sp)
 if (_ptr != sp._ptr)
 {
 // 释放管理的旧资源
 Release();
 // 共享管理新对象的资源，并增加引用计数
 _ptr = sp._ptr;
 _pRefCount = sp._pRefCount;
 _pMutex = sp._pMutex;
 
 AddRefCount();
 }
 return *this;
 }
 T& operator*() {return *_ptr;}
 T* operator->() {return _ptr;}
 int UseCount() {return *_pRefCount;}
 T* Get() { return _ptr; }
 void AddRefCount()
 {
 // 加锁或者使用加1的原子操作
 _pMutex->lock();
 ++(*_pRefCount);
  _pMutex->unlock();
 }
private:
 void Release()
 {
 bool deleteflag = false;
 
 // 引用计数减1，如果减到0，则释放资源
 _pMutex.lock();
 if (--(*_pRefCount) == 0)
 {
 delete _ptr;
 delete _pRefCount;
 deleteflag = true;
 }
 _pMutex.unlock();
 
 if(deleteflag == true)
 delete _pMutex;
 }
private:
 int* _pRefCount; // 引用计数
 T* _ptr; // 指向管理资源的指针 
 mutex* _pMutex; // 互斥锁
};
int main()
{
 SharedPtr<int> sp1(new int(10));
 SharedPtr<int> sp2(sp1);
 *sp2 = 20;
 cout << sp1.UseCount() << endl;
 cout << sp2.UseCount() << endl;
 SharedPtr<int> sp3(new int(10));
 sp2 = sp3;
 cout << sp1.UseCount() << endl;
 cout << sp2.UseCount() << endl;
 cout << sp3.UseCount() << endl;
 sp1 = sp3;
 cout << sp1.UseCount() << endl;
 cout << sp2.UseCount() << endl;
 cout << sp3.UseCount() << endl;
 return 0;
}

std::shared_ptr的线程安全问题
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

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。
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。

// 1.演示引用计数线程安全问题，就把AddRefCount和SubRefCount中的锁去掉
// 2.演示可能不出现线程安全问题，因为线程安全问题是偶现性问题，main函数的n改大一些概率就变大
了，就容易出现了。
// 3.下面代码我们使用SharedPtr演示，是为了方便演示引用计数的线程安全问题，将代码中的SharedPtr
换成shared_ptr进行测试，可以验证库的shared_ptr，发现结论是一样的。
void SharePtrFunc(SharedPtr<Date>& sp, size_t n)
{
 cout << sp.Get() << endl;
 for (size_t i = 0; i < n; ++i)
 {
 // 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。
 SharedPtr<Date> copy(sp);
 // 这里智能指针访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n次，但
是最终看到的结果，并一定是加了2n
 copy->_year++;
 copy->_month++;
 copy->_day++;
 }
}
int main()
{
 SharedPtr<Date> p(new Date);
 cout << p.Get() << endl;
 
 const size_t n = 100;
 thread t1(SharePtrFunc, p, n);
 thread t2(SharePtrFunc, p, n);
 t1.join();
 t2.join();
 cout << p->_year << endl;
 cout << p->_month << endl;
 cout << p->_day << endl;
 return 0;
}

std::shared_ptr的循环引用

struct ListNode
{
 int _data;
 shared_ptr<ListNode> _prev;
 shared_ptr<ListNode> _next;
 ~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
 shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
 shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
 cout << node1.use_count() << endl;
 cout << node2.use_count() << endl;
 node1->_next = node2;
 node2->_prev = node1;
 cout << node1.use_count() << endl;
 cout << node2.use_count() << endl;
 return 0;
}

循环引用分析：

node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
也就是说_next析构了，node2就释放了。
也就是说_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。
struct ListNode
{
 int _data;
 weak_ptr<ListNode> _prev;
 weak_ptr<ListNode> _next;
 ~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
 shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
 shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
 cout << node1.use_count() << endl;
 cout << node2.use_count() << endl;
 node1->_next = node2;
 node2->_prev = node1;
 cout << node1.use_count() << endl;
 cout << node2.use_count() << endl;
 return 0;
}

如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题

// 仿函数的删除器
template<class T>
struct FreeFunc {
 void operator()(T* ptr)
 {
 cout << "free:" << ptr << endl;
 free(ptr);
 }
};
template<class T>
struct DeleteArrayFunc {
 void operator()(T* ptr)
 { 
 cout << "delete[]" << ptr << endl;
 delete[] ptr; 
 }
};
int main()
{
 FreeFunc<int> freeFunc;
 shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
 DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
 shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
 
 return 0;
}