C++Smart Pointer 智慧指標詳解

2022-03-14 13:00:56

一、為啥使用智慧指標呢

標準庫中的智慧指標：
std::auto_ptr    --single ownership  (C++98中出現,缺陷較多,被摒棄)
std::unique_ptr  --single ownership  (C++11替代std::auto_ptr,用於單執行緒)
std::shared_ptr  --shared ownership  (C++11,用於多執行緒)
std::weak_ptr    --temp/no ownership (C++11)
Introduced in C++ 11
Defined in <memory> header.

首先看一個下面的栗子，左邊是木有使用智慧指標的情況，當執行foo()函數，其中的e指標會在bar(e)時傳入bar函數，但是在bar函數結束後沒有人為delete e時，就會導致記憶體漏失；但是在右邊的栗子中，使用了unique_ptr智慧指標（single ownership），就能防止記憶體漏失。

智慧指標主要用於管理在堆上分配的記憶體，它將普通的指標封裝為一個棧物件。當棧物件的生存週期結束後，會在解構函式中釋放掉申請的記憶體，從而防止記憶體漏失。

auto_ptr智慧指標：（C++11出來前只有這種智慧指標）當物件拷貝或者賦值後，前面的物件就懸空了。
unique_ptr智慧指標：防止智慧指標拷貝和複製。
shared_ptr智慧指標：通過參照計數的方式來實現多個shared_ptr物件之間共用資源。
weak_ptr智慧指標：可以從一個shared_ptr或另一個weak_ptr物件構造，它的構造和解構不會引起參照記數的增加或減少。

注意：每一種智慧指標都可以增加記憶體的參照計數。

智慧指標分為兩類：
- 一種是可以使用多個智慧指標管理同一塊記憶體區域，每增加一個智慧指標，就會增加1次參照計數，
- 另一類是不能使用多個智慧指標管理同一塊記憶體區域，通俗來說，當智慧指標2來管理這一塊記憶體時，原先管理這一塊記憶體的智慧指標1只能釋放對這一塊指標的所有權（ownership）。
按照這個分類標準，auto_ptr unique_ptr weak_ptr屬於後者，shared_ptr屬於前者。

對shared_ptr進行初始化時不能將一個普通指標直接賦值給智慧指標，因為一個是指標，一個是類。可以通過make_shared函數或者通過建構函式傳入普通指標。並可以通過get函數獲得普通指標。

#include <string>
#include <memory>
using namespace std;
class report
{
private:
    string str;
public:
    report(const string s):str(s) //構造方法
    {
        cout<<"1 report Object  has been build!"<<endl;
    }
    ~report()
    {
        cout<<"3 report Object  deleted!"<<endl;
    }
    void talk()
    {
        cout<<str<<endl;
    }
};
int main()
{
    string talk="2 hello,this is a test!";
    {
        auto_ptr<report> ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    {
        shared_ptr<report> ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    {
        unique_ptr<report> ptr(new report(talk));
        ptr->talk();
    }
    return 0;
}

二、shared_ptr智慧指標

shared_ptr實現了共用擁有的概念，利用“參照計數”來控制堆上物件的生命週期。

share_ptr的生命週期：

原理：在初始化的時候參照計數設為1，每當被拷貝或者賦值的時候參照計數+1，解構的時候參照計數-1，直到參照計數被減到0，那麼就可以delete掉物件的指標了。他的構造方式主要有以下三種：

shared_ptr<Object> ptr;
shared_ptr<Object> ptr(new Object);
shared_ptr<Object> ptr(new Object, [=](Object *){ //回收資源時呼叫的函數 });
auto ptr = make_shared<Object>(args);

第一種空構造，沒有指定shared_ptr管理的堆上物件的指標，所以參照計數為0，後期可以通過reset()成員函數來指定其管理的堆上物件的指標，reset()之後參照計數設為1。
第二種是比較常見的構造方式，建構函式裡面可以放堆上物件的指標，也可以放其他的智慧指標（如weak_ptr）。
第三種構造方式指定了shared_ptr在解構自己所儲存的堆上物件的指標時（即參照計數為0時）所要呼叫的函數，這說明我們可以自定義特定物件的特定解構方式。同樣的，reset()成員函數也可以指定解構時呼叫的指定函數。
第四種方法：較常見，構造shared_ptr的方式（最安全）：

auto ptr = make_shared<Object>(args);

上面第四種方法，使用標準庫裡邊的make_shared<>()模板函數。該函數會呼叫模板類的構造方法，範例化一個堆上物件，然後將儲存了該物件指標的shared_ptr返回。引數是該類建構函式的引數，所以使用make_shared<>()就好像單純地在構造該類物件一樣。auto是C++11的一個關鍵字，可以在編譯期間自動推算變數的型別，在這裡就是shared_ptr<Object>型別。

shared_ptr的其他成員函數：

use_count()	//返回參照計數的個數
unique()	//返回是否是獨佔所有權(use_count是否為1)
swap()		//交換兩個shared_ptr物件(即交換所擁有的物件，參照計數也隨之交換)
reset()		//放棄內部物件的所有權或擁有物件的變更, 會引起原有物件的參照計數的減少

三、unique_ptr智慧指標

注意unique_ptr是single ownership的，不能拷貝。其構造方式如下：

unique_ptr的生命週期：

四、weak_ptr智慧指標

五、智慧指標怎麼解決交叉參照，造成的記憶體漏失

結論：建立物件時使用shared_ptr強智慧指標指向，其餘情況都使用weak_ptr弱智慧指標指向。

5.1 交叉參照的栗子：

當A類中有一個指向B類的shared_ptr強型別智慧指標，B類中也有一個指向A類的shared_ptr強型別智慧指標。

main函數執行後有兩個強智慧指標指向了物件A，物件A的參照計數為2，B類也是：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;
class A{
public:
    shared_ptr<B> _bptr;
};
class B{
public:
    shared_ptr<A> _aptr;
};
int main(){
    shared_ptr<A> aptr(new A());
    shared_ptr<B> bptr(new B());
    aptr->_bptr = bptr;
    bptr->_aptr = aptr;
    return 0;
}

而當主函數main的return返回後，物件A的參照計數減一變為1（aptr沒指向A物件了），B物件也是，參照計數不為0，即不能解構2個物件釋放記憶體，造成記憶體漏失。

5.2 解決方案

將類A和類B中的shared_ptr強智慧指標都換成weak_ptr弱智慧指標；

class A{
public:
    weak_ptr<B> _bptr;
};
class B{
public:
    weak_ptr<A> _aptr;
};

weak_ptr弱智慧指標，雖然有參照計數，但實際上它並不增加計數，而是隻觀察物件的參照計數。所以此時物件A的參照計數只為1，物件B的參照計數也只為1。

六、智慧指標的注意事項

避免同一塊記憶體系結到多個獨立建立的shared_ptr上，因此要不使用相同的內建指標初始化（或reset）多個智慧指標，不要混合使用智慧指標和普通指標，堅持只用智慧指標。
不delete get() 函數返回的指標，因為這樣操作後，shared_ptr並不知道它管理的記憶體被釋放了，會造成shared_ptr重複解構。
不使用 get()函數初始化或（reset）另外的智慧指標。

shared_ptr<int> p = make_share<int> (42);
int *q = p.get();
{
  shared_ptr<int>(q); 
} // 程式塊結束，q被銷燬，指向的記憶體被釋放。
int foo = *p; //  出錯，p指向的記憶體已經被q釋放，這是用get() 初始化另外的智慧指標惹得禍。
// 請記住，永遠不要用get初始化另外一個智慧指標。

能使用unique_ptr時就不要使用share_ptr指標（後者需要保證執行緒安全，所以在賦值or銷燬時overhead開銷更高）。