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c++智能指针,从初学到入门

程序员文章站 2022-03-23 09:07:35
1.为什么需要智能指针下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么问题?#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]...

1.为什么需要智能指针

下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么问题?

#include <vector>

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<int> v(1000000000, 10);
    // ...
    // free(tmp);
}
int main(){
    int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
    MergeSort(a, 5);
    return 0;
}

问题分析:

  1. malloc出来的空间,没有进行是释放,存在内存泄漏问题
  2. 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。

2智能指针的使用及原理

RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源(内存,文件句柄,互斥量等)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保持始终有效,最后在对象西沟的时候释放资源。借此,我们实际上把管理一份资源的责任托管给一个对象,这样做有两个好处:

  • 不需要显示地释放资源
  • 采用这种方式,对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
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<int> sp(tmp);
    // _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
    // 这里假设处理了一些其他逻辑
    vector<int> 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;
}

2.2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。*
总结一下智能指针的原理:

  1. RAII特性
  2. 重载operator*和opertaor->,具有像指针一样的行为。
auto_ptr(C++98)

实现原理:管理权转移的思想,下面简化模拟实现一份AutoPtr来了解它的原理

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

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

        //一旦发生拷贝,将ap中资源转移到当前对象中,然后令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造成的程序崩溃问题
        AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
            :_ptr(ap._ptr)
        {
            ap._ptr = nullptr;
        } 

        AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap){
            //检测是否给自己辅值
            if(this != &ap){
                //释放当前对象的资源
                if(_ptr)
                    delete _ptr;
                
                //转移ap资源到当前对象中
                _ptr = ap._ptr;
                ap._ptr = nullptr;
            }
            return *this;
        }

        T& operator*(){
            return *_ptr;
        }

        T& operator->(){
            return _ptr;
        }
    private:
        T* _ptr;
};

class Date{
    public:
        Date(){
            cout << "Date()" << endl;
        }
        ~Date(){
            cout << "~Date()" << endl;
        }    
    public:
        int _year;
        int _month;
        int _day;
};

int main(){
    AutoPtr<Date> ap(new Date);

    //拷贝后把ap对象赋空了,导致ap对象悬空
    //通过ap对象访问资源时就会报错
    AutoPtr<Date> copy(ap);
    ap->_year = 2020;

    return 0;
}
unique_ptr(C++11)

实现原理:简单粗暴的防拷贝,下面简化模拟实现一份UniquePtr来了解它的原理

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:
        UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
        UniquePtr& operator=(UniquePtr<t> const &) = delete;

        T* _ptr;
};
shared_ptr(C++11)

实现原理:通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间的共享资源

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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
  4. 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。

模拟实现一份简单地SharedPtr,了解原理

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(sq._ptr)
            ,_pRefCount(sq._pRerCount)
            ,_pMutex(sq._pMutex)
        {
            AddRefCount();
        }

        //sp1 = sp2
        SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp){
            if(_ptr != sp._ptr){
                //释放管理的就资源
                Release();

                //共享管理新对象的资源,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(){
            retrun _pRefCount;
        }
        
        T* Get(){
            return _ptr;
        }

        void AddRefCount(){
            //加锁或者使用加一的原子操作
            _pMutex->lock();
            ++_pRefCount;
            _pMutex->unlock();
        }

    private:
        void Release(){
            bool deletefalg = false;

            //引用计数减一,如果为0,则释放资源
            _pMutex.lock();
            if(--(*_pRefCount) == 0){
                delete _ptr;
                delete _pRefCount;
                deletefalg = true;
            }
            _pMutex.unlock();

            if(deletefalg == true)
                delete _pMutex;
        }
    private:
        T* _ptr;    //指向管理资源的指针
        int* _pRefCount; //引用计数
        mutex* _pMutex;     //互斥锁
};
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:

  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。
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:

  1. 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。
  2. node1的_next指向node2,node2的_prev指向node1,引用计数变成2。
  3. 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。
  4. 也就是说_next析构了,node2就释放了。
  5. 也就是说_prev析构了,node1就释放了。
  6. 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。

c++智能指针,从初学到入门
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

本文地址:https://blog.csdn.net/weixin_43253845/article/details/107636750

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