一起聊聊C++中的智慧指標

2022-07-18 14:05:20

一：背景

我們知道 C++ 是手工管理記憶體的分配和釋放，對應的操作符就是 new/delete 和 new[] / delete[], 這給了程式設計師極大的自由度也給了我們極高的門檻，弄不好就得記憶體洩露，比如下面的程式碼：

void test() {
	int* i = new int(10);
	*i = 10;
}

int main() {
	test();
}

這段程式碼因為用了 new 而忘了 delete，導致在 nt heap 上分配的 i 隨著棧地址的回收而成了一塊孤懸海外的記憶體佔用，所以修正後的程式碼如下：

void test() {
	int* i = new int(10);
	*i = 10;

	delete i;
}

int main() {
	test();
}

但這種寫法比較麻煩，智者千慮必有一失，總會有忘記加 delete 的時候，那怎麼辦呢？大家應該知道記憶體自動管理有兩種手段。

1.參照計數

代表作有 Python，PHP，還有 windows 的控制程式碼管理。

2.參照跟蹤

代表作有 C#，JAVA 等一眾工程化語言。

因為參照計數實現比較簡單，主要就是記錄下物件的參照次數，次數為 0 則釋放，所以可完全藉助 類別建構函式解構函式 和 棧的自動回收特性 弄一個簡單的參照計數，對應著如下四個關鍵詞。

auto_ptr
shared_ptr
unique_ptr
weak_ptr

接下來我們逐個聊一聊。

二：關鍵詞解析

1. auto_ptr

這是 C++ 最早出現一個的簡單參照計數法，參考程式碼如下：

void test() {
	auto_ptr<int> ptr = auto_ptr<int>(new int(10));
}

int main() {
	test();
}

接下來看下組合程式碼：

auto_ptr<int> ptr = auto_ptr<int>(new int(10));
...
00771D26 call std::auto_ptr<int>::auto_ptr<int> (07710FAh)
00771D2B lea ecx,[ebp-0D8h]
00771D31 call std::auto_ptr<int>::~auto_ptr<int> (0771159h)

可以看到，它分別呼叫了建構函式和解構函式，接下來找下 auto_ptr 這兩個函數的原始碼。

class auto_ptr {

private:
	_Ty* _Myptr; // the wrapped object pointer

public:
	auto_ptr(auto_ptr_ref<_Ty> _Right) noexcept {
		_Ty* _Ptr = _Right._Ref;
		_Right._Ref = nullptr; // release old
		_Myptr = _Ptr; // reset this
	}

	~auto_ptr() noexcept {
		delete _Myptr;
	}
}

原始碼一看就明白了，在建構函式中，將 new int 的地址塞給了內部的 _Myptr 指標，在解構函式中對 _Myptr 進行 delete ，真好，這樣就不用整天擔心有沒有加 delete 啦。

值得注意的是，現在 C++ 不推薦這個了，而是建議使用新增的：shared_ptr，unique_ptr，weak_ptr, 怎麼說呢？ auto_ptr 有一個不好處理的問題，就是現實開發中會出現這麼個場景，多個 ptr 指向同一個參照，如下圖：

2. auto_ptr 多參照問題

方式1：

定義三個 ptr，然後包裝同一個 new int 地址，參考程式碼如下：

void test() {
	int* i = new int(10);

	auto_ptr<int> ptr1(i);
	auto_ptr<int> ptr2(i);
	auto_ptr<int> ptr3(i);
}

這種寫法有沒有問題呢？肯定有問題啦，還記得 auto_ptr 的解構是 delete 嗎？對同一塊記憶體多次 delete 會拋異常的，如下圖所示：

方式2：

既然定義三個有問題, 那就用賦值運運算元= 讓 ptr1,ptr2,ptr3 指向同一個地址是不是就可以啦？參考程式碼如下：

void test() {
	int* i = new int(10);

	auto_ptr<int> ptr1(i);
	auto_ptr<int> ptr2 = ptr1;
	auto_ptr<int> ptr3 = ptr2;
}

int main() {
	test();
}

那這段程式碼有沒有問題呢？有沒有問題得要看 = 運運算元是如何重寫的，扒一下原始碼看看。

template <class _Other>
auto_ptr& operator=(auto_ptr<_Other>& _Right) noexcept {
	reset(_Right.release());
	return *this;
}
_Ty* release() noexcept {
	_Ty* _Tmp = _Myptr;
	_Myptr = nullptr;
	return _Tmp;
}

從原始碼看有一個很噁心的點,他會將 _Right 下的 _Myptr 設為 nullptr,也就是說此時的 ptr1 報廢了，言外之意就是後續再存取 ptr1 會拋存取違例。

哈哈，C++裡面的專業術語叫控制權轉移。

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一起聊聊C++中的智慧指標

目錄

一：背景

二：關鍵詞解析

1. auto_ptr

2. auto_ptr 多參照問題

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