shared_ptr 智能指针

shared_ptr 智能指针

文章目录

  • shared_ptr 智能指针
    • 为什么要引入智能指针
    • 智能指针的作用
    • C++ 中的智能指针种类
    • std::shared_ptr
      • 使用 `std::make_shared` 创建 `shared_ptr`（推荐方式）
      • 使用 `shared_ptr` 的拷贝或移动构造
      • 通过构造函数初始化
      • 通过reset方法初始化
      • 获取原始指针
    • 指定删除器
    • 使用 `std::shared_ptr` 的注意事项
      • 循环引用
      • 使用 `std::weak_ptr` 解决循环引用

为什么要引入智能指针

在C++中没有垃圾回收机制，必须自己释放分配的内存，否则就会造成内存泄露。解决这个问题最有效的方法是使用智能指针（smart pointer）。智能指针是存储指向动态分配（堆）对象指针的类，用于生存期的控制，能够确保在离开指针所在作用域时，自动地销毁动态分配的对象，防止内存泄露。智能指针的核心实现技术是引用计数，每使用它一次，内部引用计数加1，每析构一次内部的引用计数减1，减为0时，删除所指向的堆内存。

智能指针的作用

  1. 自动管理动态内存：智能指针通过 RAII（资源获取即初始化）机制自动释放内存。RAII 是 C++ 的核心设计理念之一，资源的生命周期与对象的生命周期绑定，从而确保资源不会被泄漏。
  2. 避免内存泄漏：智能指针通过引用计数或其他机制，确保内存能够在不再使用时自动释放。
  3. 避免悬挂指针和野指针：智能指针能够在其不再使用时自动销毁，避免了手动删除后指针仍然存在的危险。
  4. 确保异常安全：智能指针通过作用域控制内存，确保即使发生异常，也能正确释放资源。
  5. 简化代码：相比传统指针手动管理内存，智能指针大大简化了内存管理代码，提升了程序的可维护性和可靠性。

C++ 中的智能指针种类

  1. std::unique_ptr
  • 用途：表示独占所有权的智能指针，意味着一个 unique_ptr 只能拥有一个对象的所有权。不能被复制，只能移动。
  • 特点
    • 独占所有权：同一个对象只能有一个 unique_ptr 管理，避免了多重释放的问题。
    • 不可拷贝：不能通过拷贝构造函数或赋值操作符来复制，确保了对象的唯一所有权。
    • 可以转移所有权：可以通过 std::move 将 unique_ptr 的所有权从一个指针转移到另一个。
  • 典型用法
std::unique_ptr<int> ptr1 = std::make_unique<int>(10);
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1);  // 转移所有权
  1. std::shared_ptr
  • 用途：表示共享所有权的智能指针，多个 shared_ptr 可以共同拥有同一个对象的所有权。
  • 特点
    • 引用计数：shared_ptr 使用引用计数的机制来跟踪有多少个 shared_ptr 指向同一对象。当最后一个指向对象的 shared_ptr 被销毁时，内存会自动释放。
    • 可以拷贝和赋值：shared_ptr 可以通过拷贝构造和赋值操作符进行拷贝，因此它适用于多个地方共享资源的情况。
    • 线程安全：shared_ptr 在修改引用计数时是线程安全的，但对象本身的操作仍需要额外的同步机制。
  • 典型用法
std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10);
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;  // 引用计数增加，两个指针共享所有权
  1. std::weak_ptr
  • 用途：用于解决 shared_ptr 引用计数环的问题。weak_ptr 并不增加引用计数，只是观察 shared_ptr 指向的对象。
  • 特点
    • 不增加引用计数：weak_ptr 不会增加 shared_ptr 的引用计数，因此不会影响对象的生命周期。
    • **可以转换为 **shared_ptr：如果对象仍然存在，weak_ptr 可以通过 lock() 方法转换为 shared_ptr，从而访问对象。
    • 防止循环引用：在 shared_ptr 之间形成循环引用时，weak_ptr 可以用来打破这种循环，避免内存泄漏。
  • 典型用法
std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(10);
std::weak_ptr<int> weakPtr = ptr1;  // 不增加引用计数
if (auto ptr2 = weakPtr.lock()) {   // 如果对象还存在，获得一个 shared_ptr
    // 使用 ptr2
}

std::shared_ptr

使用 std::make_shared 创建 shared_ptr（推荐方式）

std::make_shared 是创建 std::shared_ptr 的推荐方法，它同时分配 shared_ptr 和对象的内存，能够提高效率并减少内存分配次数。

使用std::make_shared()模板函数可以完成内存地址的创建，并将最终得到的内存地址传递给共享智能指针对象管理。如果申请的内存是普通类型，通过函数的（）可完成地址的初始化，如果要创建一个类对象，函数的（）内部需要指定构造对象需要的参数，也就是类构造函数的参数。

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructor\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destructor\n"; }
    void say_hello() { std::cout << "Hello, World!\n"; }
};

int main() {
    // 使用 std::make_shared 创建 shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> p1 = std::make_shared<MyClass>();

    p1->say_hello(); // 调用成员函数

    // 不需要手动释放内存，shared_ptr 会自动销毁对象
    return 0;
}
----- 输出 -----
MyClass constructor
Hello, World!
MyClass destructor

使用 shared_ptr 的拷贝或移动构造

如果已有一个 shared_ptr，可以通过拷贝或移动构造一个新的 shared_ptr，共享同一个对象。

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass constructor\n"; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destructor\n"; }
    void say_hello() { std::cout << "Hello, World!\n"; }
};

int main() {
    // 创建 shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> p1 = std::make_shared<MyClass>();

    // 拷贝构造
    std::shared_ptr<MyClass> p2 = p1;

    // 移动构造
    std::shared_ptr<MyClass> p3 = std::move(p1);

    p2->say_hello();
    p3->say_hello(); // p1 已经为空，p3 拥有资源

    return 0;
}

通过构造函数初始化

// shared_ptr<T> 类模板中，提供了多种实用的构造函数, 语法格式如下:
std::shared_ptr<T> 智能指针名字(创建堆内存);

// 管理当前对象的 shared_ptr 实例数量，或若无被管理对象则为 0。
long use_count() const noexcept;

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

int main()
{
    // 使用智能指针管理一块 int 型的堆内存
    shared_ptr<int> ptr1(new int(520));
    cout << "ptr1管理的内存引用计数: " << ptr1.use_count() << endl;
    // 使用智能指针管理一块字符数组对应的堆内存
    shared_ptr<char> ptr2(new char[12]);
    cout << "ptr2管理的内存引用计数: " << ptr2.use_count() << endl;
    // 创建智能指针对象, 不管理任何内存
    shared_ptr<int> ptr3;
    cout << "ptr3管理的内存引用计数: " << ptr3.use_count() << endl;
    // 创建智能指针对象, 初始化为空
    shared_ptr<int> ptr4(nullptr);
    cout << "ptr4管理的内存引用计数: " << ptr4.use_count() << endl;

    return 0;
}
----- 输出：
ptr1管理的内存引用计数: 1
ptr2管理的内存引用计数: 1
ptr3管理的内存引用计数: 0
ptr4管理的内存引用计数: 0

如果智能指针被初始化了一块有效内存，那么这块内存的引用计数+1，如果智能指针没有被初始化或者被初始化为nullptr空指针，引用计数不会+1。另外，不要使用一个原始指针初始化多个shared_ptr。

int *p = new int;
shared_ptr<int> p1(p);
shared_ptr<int> p2(p);      // error, 编译不会报错, 运行会出错

通过reset方法初始化

共享智能指针类提供的std::shared_ptr::reset方法函数原型如下：

void reset() noexcept;

template< class Y >
void reset( Y* ptr );

template< class Y, class Deleter >
void reset( Y* ptr, Deleter d );

template< class Y, class Deleter, class Alloc >
void reset( Y* ptr, Deleter d, Alloc alloc );
  1. ptr：指向要取得所有权的对象的指针。调用此 reset 后，会接管这个裸指针的所有权，原本的管理对象会被删除。
  2. d: 删除器用于删除 ptr 指向的对象。允许你在重置时自定义对象的销毁方式。
  3. Alloc : 是一个自定义分配器，它控制内存的分配和释放，通常用于自定义内存管理场景。
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

int main()
{
    // 使用智能指针管理一块 int 型的堆内存, 内部引用计数为 1
    shared_ptr<int> ptr1 = make_shared<int>(520);
    shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;
    shared_ptr<int> ptr3 = ptr1;
    shared_ptr<int> ptr4 = ptr1;
    cout << "ptr1管理的内存引用计数: " << ptr1.use_count() << endl;
    cout << "ptr2管理的内存引用计数: " << ptr2.use_count() << endl;
    cout << "ptr3管理的内存引用计数: " << ptr3.use_count() << endl;
    cout << "ptr4管理的内存引用计数: " << ptr4.use_count() << endl;

    ptr4.reset();
    cout << "ptr1管理的内存引用计数: " << ptr1.use_count() << endl;
    cout << "ptr2管理的内存引用计数: " << ptr2.use_count() << endl;
    cout << "ptr3管理的内存引用计数: " << ptr3.use_count() << endl;
    cout << "ptr4管理的内存引用计数: " << ptr4.use_count() << endl;

    shared_ptr<int> ptr5;
    ptr5.reset(new int(250));
    cout << "ptr5管理的内存引用计数: " << ptr5.use_count() << endl;

    return 0;
}

-----输出：
ptr1管理的内存引用计数: 4
ptr2管理的内存引用计数: 4
ptr3管理的内存引用计数: 4
ptr4管理的内存引用计数: 4

ptr1管理的内存引用计数: 3
ptr2管理的内存引用计数: 3
ptr3管理的内存引用计数: 3
ptr4管理的内存引用计数: 0

ptr5管理的内存引用计数: 1

对于一个未初始化的共享智能指针，可以通过reset方法来初始化，当智能指针中有值的时候，调用reset会使引用计数减1。

获取原始指针

通过智能指针可以管理一个普通变量或者对象的地址，此时原始地址就不可见了。当我们想要修改变量或者对象中的值的时候，就需要从智能指针对象中先取出数据的原始内存的地址再操作，解决方案是调用共享智能指针类提供的get()方法，其函数原型如下：

T* get() const noexcept;

指定删除器

std::shared_ptr 允许使用指定的删除器（Deleter）来定制对象销毁的方式。删除器是一个函数对象、函数指针或任何具有 operator() 的对象，可以在 shared_ptr 被销毁时，执行自定义的删除操作。

原型如下：

std::shared_ptr<T> ptr(p, Deleter deleter);
1 > p 是裸指针，shared_ptr 将负责管理它的生命周期。
2 > Deleter 是一个删除器，它在 shared_ptr 被销毁时被调用，用来销毁管理的对象。

使用:

#include <iostream>
#include <memory>

void custom_deleter(int* ptr) {
    std::cout << "Custom deleter deleting pointer: " << *ptr << std::endl;
    delete ptr;  // 使用 delete 进行销毁
}

int main() {
    // 创建一个 shared_ptr，传入裸指针和自定义删除器
    std::shared_ptr<int> ptr(new int(42), custom_deleter);

    // 使用 ptr 进行操作
    std::cout << "Shared pointer holds: " << *ptr << std::endl;

    /*
    // 使用 lambda 表达式作为删除器
    auto deleter = [](int* ptr) {
        std::cout << "Lambda deleter deleting pointer: " << *ptr << std::endl;
        delete ptr;
    };

    std::shared_ptr<int> ptr(new int(100), deleter);

    std::cout << "Shared pointer holds: " << *ptr << std::endl;
    */
    // 当 ptr 超出作用域时，custom_deleter 会被调用
    return 0;
}
-----  输出 ----
Shared pointer holds: 42
Custom deleter deleting pointer: 42

使用 std::shared_ptr 的注意事项

循环引用

std::shared_ptr 会通过引用计数来管理对象的生命周期，如果两个 shared_ptr 相互持有对方，形成循环引用，那么它们的引用计数永远不会减少，导致内存泄漏。

#include <iostream>
#include <memory>

class A; // 前向声明

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> ptrA;
    B() { std::cout << "B created\n"; }
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    A() { std::cout << "A created\n"; }
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> pA = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> pB = std::make_shared<B>();

    pA->ptrB = pB;
    pB->ptrA = pA;

    // pA 和 pB 互相持有对方，导致循环引用，内存不会被释放
    return 0;
}

这个程序不会输出 “A destroyed” 和 “B destroyed”。这是因为 pA 和 pB 互相持有对方，引用计数永远不会降到 0，导致内存泄漏。

使用 std::weak_ptr 解决循环引用

为了避免循环引用，可以使用 std::weak_ptr。std::weak_ptr 不增加引用计数，它允许 shared_ptr 相互引用，但不会影响对象的生命周期。~

#include <iostream>
#include <memory>

class A; // 前向声明

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> ptrA;  // 使用 weak_ptr
    B() { std::cout << "B created\n"; }
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    A() { std::cout << "A created\n"; }
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> pA = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> pB = std::make_shared<B>();

    pA->ptrB = pB;
    pB->ptrA = pA;

    // 使用 weak_ptr 解决循环引用
    return 0;
}
----------------输出
A created
B created
A destroyed
B destroyed

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