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关于c:重学C02-脱离指针陷阱深入浅出-C-智能指针

作者：

jiezi

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【重学C++】02 脱离指针陷阱：深入浅出 C++ 智能指针

前言

大家好，明天是【重学C++】系列的第二讲，咱们来聊聊C++的智能指针。

为什么须要智能指针

在上一讲《01 C++如何进行内存资源管理》中，提到了对于堆上的内存资源，须要咱们手动调配和开释。治理这些资源是个技术活，一不小心，就会导致内存透露。

咱们再给两段代码，切身体验下原生指针治理内存的噩梦。

void foo(int n) {
    int* ptr = new int(42);
    ...
    if (n > 5) {
        return;
    }
    ...
    delete ptr;
}


void other_fn(int* ptr) {
    ...
};
void bar() {
    int* ptr = new int(42);
    other_fn(ptr);
    // ptr == ?
}

在foo函数中，如果入参n > 5, 则会导致指针ptr的内存未被正确开释，从而导致内存透露。

在bar函数中，咱们将指针ptr传递给了另外一个函数other_fn，咱们无奈确定other_fn有没有开释ptr内存，如果被开释了，那ptr将成为一个悬空指针，bar在后续还持续拜访它，会引发未定义行为，可能导致程序解体。

下面因为原生指针使用不当导致的内存透露、悬空指针问题都能够通过智能指针来轻松防止。

C++智能指针是一种用于治理动静分配内存的指针类。基于RAII设计理念，通过封装原生指针实现的。能够在资源（原生指针对应的对象）生命周期完结时主动开释内存。

C++规范库中，提供了两种最常见的智能指针类型，别离是std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。
接下来咱们别离具体开展介绍。

吃独食的unique_ptr

std::unique_ptr 是 C++11 引入的智能指针，用于治理动态分配的内存。每个 std::unique_ptr 实例都领有对其所蕴含对象的惟一所有权，并在其生命周期完结时主动开释对象。

创立unique_ptr对象

咱们能够std::unique_ptr的构造函数或std::make_unique函数（C++14反对）来创立一个unique_ptr对象，在超出作用域时，会主动开释所治理的对象内存。示例代码如下：

#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};
int main() {
    std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass);
    // C++14开始反对std::make_unique
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::make_unique<int>(10);
    return 0;
}

代码输入：

MyClass constructed
MyClass destroyed

拜访所治理的对象

咱们能够像应用原生指针的形式一样，拜访unique_ptr所指向的对象。也能够通过get函数获取到原生指针。

MyClass* naked_ptr = ptr1.get();
std::cout << *ptr2 << std::endl; // 输入 10

开释/重置所治理的对象

应用reset函数能够开释unique_ptr所治理的对象，并将其指针重置为nullptr或指定的新指针。reset`大略实现原理如下

template<class T> 
void unique_ptr<T>::reset(pointer ptr = pointer()) noexcept { 
    // 开释指针指向的对象
    delete ptr_; 
    // 重置指针
    ptr_ = ptr;
}

该函数次要实现两件事：

  1. 开释 std::unique_ptr 所治理的对象，以防止内存透露。
  2. 将 std::unique_ptr 重置为nullptr或治理另一个对象。

code show time:

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 创立一个 std::unique_ptr 对象，指向一个 MyClass 对象
    std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass);

    // 调用 reset，将 std::unique_ptr 重置为治理另一个 MyClass 对象
    ptr.reset(new MyClass);
    return;
}

挪动所有权

一个对象资源只能同时被一个unique_ptr治理。当尝试把一个unique_ptr间接赋值给另外一个unique_ptr会编译报错。

#include <memory>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 编译报错
    return 0;
}

为了把一个 std::unique_ptr 对象的所有权挪动到另一个对象中，咱们必须配合std::move挪动函数。

#include <memory>
#include <iostream>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // ok
    std::cout << *p2 << std::endl; // 42
    std::cout << (p1.get() == nullptr) << std::endl; // true
    return 0;
}

这个例子中， 咱们把p1通过std::move将其治理对象的所有权转移给了p2, 此时p2接管了对象，而p1不再领有治理对象的所有权，即无奈再操作到该对象了。

乐于分享的shared_ptr

shared_ptr是C++11提供的另外一种常见的智能指针，与unique_ptr独占对象形式不同，shared_ptr是一种共享式智能指针，容许多个shared_ptr指针独特领有同一个对象，采纳援用计数的形式来治理对象的生命周期。当所有的 shared_ptr 对象都销毁时，才会主动开释所治理的对象。

创立shared_ptr对象

同样的，C++也提供了std::shared_ptr构造函数和std::make_shared函数来创立std::shared_ptr对象。

#include <memory>
int main() {
    std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
    std::shared_ptr<int> p2 = std::make_shared<int>(20);
    return;
}

多个shared_ptr共享一个对象

能够通过赋值操作实现多个shared_ptr共享一个资源对象，例如

std::shared_ptr<int>p3 = p2;

shared_ptr采纳援用计数的形式治理资源对象的生命周期，通过调配一个额定内存当计数器。

当一个新的shared_ptr被创立时，它对应的计数器被初始化为1。每当赋值给另外一个shared_ptr共享同一个对象时，计数器值会加1。当某个shared_ptr被销毁时，计数值会减1，当计数值变为0时，阐明没有任何shared_ptr援用这个对象，会将对象进行回收。

C++提供了use_count函数来获取std::shared_ptr所治理对象的援用计数，例如

std::cout << "p1 use count: " << p1.use_count() << std::endl;

开释/重置所治理的对象

能够应用reset函数来开释/重置shared_ptr所治理的对象。大略实现原理如下（不思考并发场景）

void reset(T* ptr = nullptr) {
    if (ref_count != nullptr) { 
        (*ref_count)--;
        if (*ref_count == 0) { 
            delete data; 
            delete ref_count; 
        } 
    } 
    data = ptr; 
    ref_count = (data == nullptr) ? nullptr : new size_t(1); 
}

data指针来存储管理的资源，指针ref_count 来存储计数器的值。

在 reset 办法中，须要缩小计数器的值，如果计数器缩小后为 0，则须要开释治理的资源，如果缩小后不为0，则不会开释之前的资源对象。

如果reset指定了新的资源指针，则须要从新设置 data 和 ref_count，并将计数器初始化为 1。否则，将计数器指针置为nullptr

shared_ptr应用注意事项

防止循环援用

因为 shared_ptr 具备共享同一个资源对象的能力，因而容易呈现循环援用的状况。例如：

struct Node { 
    std::shared_ptr<Node> next; 
};

int main() {
    std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
    std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
    node1->next = node2; 
    node2->next = node1;
}

在上述代码中，node1 和 node2 相互援用，在析构时会发现计数器的值不为0，不会开释所治理的对象，产生内存透露。

为了防止循环援用，能够将其中一个指针改为 weak_ptr 类型。weak_ptr也是一种智能指针，通常配合shared_ptr一起应用。

weak_ptr是一种弱援用，不对所指向的对象进行计数援用，也就是说，不减少所指对象的援用计数。当所有的shared_ptr都析构了，不再指向该资源时，该资源会被销毁，同时对应的所有weak_ptr都会变成nullptr，这时咱们就能够利用expired()办法来判断这个weak_ptr是否曾经生效。

咱们能够通过weak_ptr的lock()办法来取得一个指向共享对象的shared_ptr。如果weak_ptr曾经生效，lock()办法将返回一个空的shared_ptr。

上面是weak_ptr的根本应用示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
    // 创立shared_ptr对应的weak_ptr指针
    std::weak_ptr<int> wp(sp);

    // 通过lock创立一个对应的shared_ptr
    if (auto p = wp.lock()) {
        std::cout << "shared_ptr value: " << *p << std::endl;
        std::cout << "shared_ptr use_count: " << p.use_count() << std::endl;
    } else {
        std::cout << "wp is expired" << std::endl;
    }

    // 开释shared_ptr指向的资源，此时weak_ptr生效
    sp.reset();
    std::cout << "wp is expired: " <<  wp.expired() << std::endl;
    return 0;
}

代码输入如下

shared_ptr value: 42
shared_ptr use_count: 2
wp is expired: 1

回到shared_ptr的循环援用问题，利用weak_ptr不会减少shared_ptr的援用计数的特点，咱们将Node.next的类型改为weak_ptr, 防止node1和node2相互循环援用。批改后代码如下

struct Node {

std::weak_ptr<Node> next;

};

int main() {

std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
node1->next = std::weak_ptr<Node>(node2); 
node2->next = std::weak_ptr<Node>(node1); ;

}


#### 防止裸指针与`shared_ptr`混用
先看看以下代码

int* q = new int(9);
{

std::shared_ptr<int> p(new int(10));
...
q = p.get();

}
std::cout << *q << std::endl;

`get`函数返回 `std::shared_ptr` 所持有的指针，然而不会减少援用计数。所以在shared_ptr析构时，将该指针指向的对象给开释掉了，导致指针`q`变成一个悬空指针。

#### 防止一个原始指针初始化多个`shared_ptr`

int* p = new int(10);
std::shared_ptr<int> ptr1(p);
// error: 两个shared_ptr指向同一个资源，会导致反复开释
std::shared_ptr<int> ptr2(p);


## 总结
防止手动治理内存带来的繁琐和容易出错的问题。咱们明天介绍了三种智能指针：`unique_ptr`、`shared_ptr`和`weak_ptr`。
每种智能指针都有各自的应用场景。`unique_ptr`用于治理独占式所有权的对象，它不能拷贝但能够挪动，是最轻量级和最快的智能指针。`shared_ptr`用于治理多个对象共享所有权的状况，它能够拷贝和挪动。`weak_ptr`则是用来解决`shared_ptr`循环援用的问题。

下一节，咱们将本人入手，从零实现一个C++智能指针。敬请期待

<center>- END -</center>
【往期举荐】

[01 C++如何进行内存资源管理](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4MTc0NDg2OQ==&amp;mid=2247484850&amp;idx=1&amp;sn=56524ae728e1968ce38a7a210430ddf5&amp;chksm=eba5c138dcd2482e4cc50983ed93a9dcbfc03f495603d11f0efb7c4ae349e843d3230db4bccc&token=2022782435&lang=zh_CN#rd)

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