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一文掌握|一文掌握 C++ 智能指针的使用方法

目录

  • 一、RAII 与引用计数
  • 二、std::shared_ptr
  • 三、std::unique_ptr
  • 四、std::weak_ptr
  • 五、总结
一文掌握|一文掌握 C++ 智能指针的使用方法
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一、RAII 与引用计数 了解 Objective-C/Swift 的程序员应该知道引用计数的概念。引用计数这种计数是为了防止内存泄露而产生的。
基本想法是对于动态分配的对象，进行引用计数，每当增加一次对同一个对象的引用，那么引用对象的引用计数就会增加一次， 每删除一次引用，引用计数就会减一，当一个对象的引用计数减为零时，就自动删除指向的堆内存。
在传统C++中，『记得』手动释放资源，总不是最佳实践。因为我们很有可能就忘记了去释放资源而导致泄露。所以通常的做法是对于一个对象而言，我们在构造函数的时候申请空间，而在析构函数（在离开作用域时调用）的时候释放空间， 也就是我们常说的 RAII 资源获取即初始化技术。
凡事都有例外，我们总会有需要将对象在自由存储上分配的需求，在传统 C++ 里我们只好使用 new 和 delete 去 『记得』对资源进行释放。而 C++11 引入了智能指针的概念，使用了引用计数的想法，让程序员不再需要关心手动释放内存。
这些智能指针就包括 std::shared_ptr std::unique_ptr std::weak_ptr，使用它们需要包含头文件。
注意：引用计数不是垃圾回收，引用计数能够尽快收回不再被使用的对象，同时在回收的过程中也不会造成长时间的等待， 更能够清晰明确的表明资源的生命周期。

二、std::shared_ptr std::shared_ptr 是一种智能指针，它能够记录多少个 shared_ptr 共同指向一个对象，从而消除显式的调用 delete，当引用计数变为零的时候就会将对象自动删除。
但还不够，因为使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 来调用，这使得代码出现了某种程度上的不对称。
std::make_shared 就能够用来消除显式的使用 new，所以 std::make_shared 会分配创建传入参数中的对象， 并返回这个对象类型的 std::shared_ptr 指针。例如：
#include #include void foo(std::shared_ptr i){(*i)++; }int main(){// auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment// Constructed a std::shared_ptrauto pointer = std::make_shared(10); foo(pointer); std::cout << *pointer << std::endl; // 11// The shared_ptr will be destructed before leaving the scopereturn 0; }

std::shared_ptr 可以通过 get() 方法来获取原始指针，通过 reset() 来减少一个引用计数， 并通过 use_count() 来查看一个对象的引用计数。例如：
auto pointer = std::make_shared(10); auto pointerpointer2 = pointer; // 引用计数+1auto pointerpointer3 = pointer; // 引用计数+1int *p = pointer.get(); // 这样不会增加引用计数std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3pointer2.reset(); std::cout << "reset pointer2:" << std::endl; std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 resetstd::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2pointer3.reset(); std::cout << "reset pointer3:" << std::endl; std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset


三、std::unique_ptr std::unique_ptr 是一种独占的智能指针，它禁止其他智能指针与其共享同一个对象，从而保证代码的安全：
std::unique_ptr pointer = std::make_unique(10); // make_unique 从 C++14 引入std::unique_ptr pointerpointer2 = pointer; // 非法

make_unique 并不复杂，C++11 没有提供 std::make_unique，可以自行实现：
templatestd::unique_ptr make_unique( Args&& ...args ) {return std::unique_ptr( new T( std::forward(args)... ) ); }

至于为什么没有提供，C++ 标准委员会主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因为『被他们忘记了』。
既然是独占，换句话说就是不可复制。但是，我们可以利用 std::move 将其转移给其他的 unique_ptr，例如：
#include #include struct Foo {Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; }~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; }}; void f(const Foo &) {std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl; }int main() {std::unique_ptr p1(std::make_unique()); // p1 不空, 输出if (p1) p1->foo(); {std::unique_ptr p2(std::move(p1)); // p2 不空, 输出f(*p2); // p2 不空, 输出if(p2) p2->foo(); // p1 为空, 无输出if(p1) p1->foo(); p1 = std::move(p2); // p2 为空, 无输出if(p2) p2->foo(); std::cout << "p2 被销毁" << std::endl; }// p1 不空, 输出if (p1) p1->foo(); // Foo 的实例会在离开作用域时被销毁}


四、std::weak_ptr 如果你仔细思考 std::shared_ptr 就会发现依然存在着资源无法释放的问题。看下面这个例子：
struct A; struct B; struct A {std::shared_ptr pointer; ~A() {std::cout << "A 被销毁" << std::endl; }}; struct B {std::shared_ptr pointer; ~B() {std::cout << "B 被销毁" << std::endl; }}; int main() {auto a = std::make_shared(); auto b = std::make_shared(); a->pointer = b; b->pointer = a; }

运行结果是 A, B 都不会被销毁，这是因为 a,b 内部的 pointer 同时又引用了 a,b，这使得 a,b 的引用计数均变为了 2，而离开作用域时，a,b 智能指针被析构，却只能造成这块区域的引用计数减一。
这样就导致了 a,b 对象指向的内存区域引用计数不为零，而外部已经没有办法找到这块区域了，也就造成了内存泄露，如图 1：
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解决这个问题的办法就是使用弱引用指针 std::weak_ptr，std::weak_ptr是一种弱引用（相比较而言 std::shared_ptr 就是一种强引用）。
弱引用不会引起引用计数增加，当换用弱引用时候，最终的释放流程如图 2 所示：
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在上图中，最后一步只剩下 B，而 B 并没有任何智能指针引用它，因此这块内存资源也会被释放。
std::weak_ptr 没有 * 运算符和 -> 运算符，所以不能够对资源进行操作，它的唯一作用就是用于检查 std::shared_ptr 是否存在，其 expired() 方法能在资源未被释放时，会返回 false，否则返回 true。

五、总结 智能指针这种技术并不新奇，在很多语言中都是一种常见的技术，现代 C++ 将这项技术引进，在一定程度上消除了 new/delete 的滥用，是一种更加成熟的编程范式。
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