C++ smart pointer全面深入講解

2022-08-25 10:01:49

我們為什麼需要smart pointer

眾所周知新手寫的c++程式碼是很恐怖壓根就不能用其中最大的原因就在於新手寫的程式碼可能存在大量的記憶體漏失那麼為什麼新手無法很好的去掌握記憶體的東西呢就是因為原生的c++並不像java那樣存在垃圾回收的機制申請在堆區的資源都需要自己去回收然而最痛苦的一件事情在於指標的生命週期結束時你會不小心就沒去回收他在堆區的資源因為堆區資源的生命週期是很難把握的有可能你解構了直接導致野指標存取異常那麼為了解決這個問題 c++就推出了智慧指標其中最重要的三種指標就是shared_ptr unique_ptr weak_ptr 接下來讓我們來講講如何將智慧指標的生命週期和堆區資源的生命週期繫結起來吧

其實也非常簡單本質就是當這片堆區資源的參照計數變為0的時候就釋放這片記憶體

smart pointer基本概念之參照計數

先來說說參照計數這個東西是stl保證了肯定是執行緒安全的所以即使你在多個執行緒內同時去增加或者同時減少參照計數也並不會讓參照計數的值出現非你預期的結果

智慧指標是和參照計數繫結在一起的當你建立智慧指標指向一片資源時參照計數就加一當智慧指標解構時參照計數就減一當參照計數變為0時堆區資源被解構

smart pointer之shared_ptr

讓我們來看看下一段程式碼

int main()
 {
	std::shared_ptr<std::string> i(new std::string("its good"));
	std::shared_ptr<std::string> j(new std::string("its bad"));
	std::vector<std::shared_ptr<std::string>> smartPointer_vec;
	for(int k=0;k<5;k++)
	smartPointer_vec.emplace_back(i);
	for (int k = 0; k < 4; k++)
	smartPointer_vec.emplace_back(j);
	for (auto &i : smartPointer_vec)
	{
		std::cout<<i->c_str();
		std::cout << i.use_count() << " ";
		std::cout << j.use_count() << std::endl;
		i = nullptr;
	}
	std::cout << i->c_str();
	std::cout << i.use_count() <<" ";
	std::cout << j.use_count() << std::endl;
}

聰明人看輸出你就能完全明白當參照計數為0的時候就會解構其他不多說了

重要講解:首先使用share_ptr去指向new出來的資料是效能低效的最本質的原因在於他會進行兩次記憶體分配第一次是物件堆區資源的申請然後才是參照計數堆區資源的申請而使用make_shared可以只進行一次記憶體分配所以他更快並且更安全並且c++標準委員會也推薦你這麼做關於make_shared等下講解

自定義deleter(也就是自定義刪除器)

先說我們為什麼需要自定義刪除器因為在某些情況下我們希望當智慧指標指向的堆區資源釋放的時候進行一些自定義操作也就是說你可以玩一些很花的操作但是也是那句話 stl並不會執行任何安全檢查崩了需要自己負責並且總所周知 new []這種形式的堆區資源需要我們使用delete[]來釋放這就是最大的問題 shared_ptr預設是使用delete的也就是說當你使用shared_ptr去指向new []時如果不自定義刪除器必然會造成記憶體漏失如下圖所示的一段程式碼就是經典的記憶體漏失

正確的寫法如下

即自定義一個刪除器當然你也可以玩一些移動操作也就是花哨的操作當然花哨操作就很多了我只演示其中一種如下圖所示

執行結果截圖如下:

Tips:當你非常清楚你在幹什麼的時候再玩功力不夠不要亂玩

shared_ptr之make_shared

上文我們說過使用智慧指標指向new出來的資源有一個問題就是他會進行兩次記憶體分配而標準委員會推薦建立shared_ptr的方式是使用make_shared 讓我們來看看make_shared是如何進行堆區資源申請的一個最簡單的例子如下

int main()
{
	std::shared_ptr<int>p1(new int(5));
	//下面這種方式比上面這種方式效能更快 並且更加安全
	std::shared_ptr<int>p2 = make_shared<int>(5);
}

當你使用make_shared的時候又想去使用智慧指標指向一個陣列的時候一個推薦的做法如下

int main()
{
	std::shared_ptr<std::vector<int>>p1(new std::vector<int>());
	//下面這種方式比上面這種方式效能更快 並且更加安全
	std::shared_ptr<std::vector<int>>p2 = make_shared<std::vector<int>>();
}

智慧指標存在的問題之迴圈參照

那麼現在我們來看看shared_ptr存在的一些問題其中比較著名的一個問題就是迴圈參照什麼叫回圈參照呢本人的觀點是當你的智慧指標指向的A堆區資源裡又有智慧指標去指向B堆區資源而B堆區資源又存在一個智慧指標來指向A堆區資源而你能拿到的指標對半是全域性或者是棧區的智慧指標你無法干預到堆區的智慧指標的釋放下面來看一個最簡單的例子造成的迴圈參照程式碼如下圖所示

class SmartPointerTest
{
public:
	std::shared_ptr<SmartPointerTest> LoopRef{};
	int p[1000]{};
};
int main()
{
	std::shared_ptr<SmartPointerTest>p1(new SmartPointerTest());
	std::shared_ptr<SmartPointerTest>p2(new SmartPointerTest());
	p1->LoopRef = p2;
	p2->LoopRef = p1;
}

可以明顯看到我們建立了兩個智慧指標p1和p2 而p1指向的堆區資源裡又有智慧指標指向p2的堆區資源同理p2 而當main函數結束的時候 p1 p2指標被釋放但是這個時候因為兩片堆區資源的參照計數都沒被置為0 所以不會釋放那麼這片堆區記憶體也就永遠的洩漏了這是所有迴圈參照的原型無論任何再複雜的迴圈參照都是建立在這個最基本的迴圈參照之上的

解決迴圈參照之weak_ptr

我們現在希望有一個方法來解決迴圈參照的問題並且我們也想去隨時拿到資源那麼我們該如何做呢標準委員會也考慮到了這個問題於是他提供了weak_ptr 當他指向一片堆區資源的時候並不會讓這片堆區資源的參照計數加一而是作為這片資源的觀察者當需要這片資源的時候隨時使用lock()函數來獲得一個shared_ptr來進行使用下面讓我們來看看如何使用weak_ptr 基於上面的例子

class SmartPointerTest
{
public:
	std::weak_ptr<SmartPointerTest> LoopRef{};
	int p[1000]{};
};
int main()
{
	std::shared_ptr<SmartPointerTest>p1(new SmartPointerTest());
	std::shared_ptr<SmartPointerTest>p2(new SmartPointerTest());
	p1->LoopRef = p2;
	p2->LoopRef = p1;
	//當你想使用資源的時候 用下面的操作進行
	std::cout << p1->LoopRef.lock()->p << std::endl;
}

輸出結果如下:

Tips:當然weak_ptr的作用遠遠不止如此他存在的意義僅僅是你想共用資源但是你並不想增加參照計數解決迴圈參照只是順便解決的優秀的程式設計師總是能知道在什麼情況下使用何種指標來達到效能最優 lock()函數顧名思義是要去給參照計數上鎖的頻繁上鎖帶來的效能問題不用多說了吧

如果weak_ptr指向的資源已經被解構那麼他會丟擲bad_weak_ptr的異常請注意捕獲異常

智慧指標問題

無法建立指向自己的智慧指標(本質當建立自己的智慧指標時會建立兩個所屬組)

什麼叫無法建立指向自己的智慧指標呢看如下這段程式碼

class SmartPointerTest
{
public:
	std::weak_ptr<SmartPointerTest> LoopRef{};
	int p[1000]{};
	std::vector<std::shared_ptr<SmartPointerTest>> spt_vec;
	void MemberFuncTest()
	{
		spt_vec.push_back(std::shared_ptr<SmartPointerTest>(this));
	}
	int operator[](int i)
	{
		return p[i];
	}
};
int main()
{
	std::shared_ptr<SmartPointerTest>p1(new SmartPointerTest());
	p1->MemberFuncTest();
	std::cout<<p1.use_count()<<std::endl;
	system("pause");
}

我們預期的結果是把指向自己的智慧指標傳入並且參照計數為2 但是執行結果如下:

並且程式會崩潰為什麼呢因為你重複釋放了這就是我說的你會建立兩個組而不是單純的增加參照計數其本質還是濫用普通指標和智慧指標引起的麻煩

解決方法如下

程式碼如下我們可以繼承於std::enable_shared_from_this來解決

class SmartPointerTest :std::enable_shared_from_this<SmartPointerTest>
{
public:
	std::weak_ptr<SmartPointerTest> LoopRef{};
	int p[1000]{};
	std::vector<std::shared_ptr<SmartPointerTest>> spt_vec;
	void MemberFuncTest()
	{
		spt_vec.push_back(std::shared_ptr<SmartPointerTest>(shared_from_this()));
	}
	int operator[](int i)
	{
		return p[i];
	}
};
int main()
{
	std::shared_ptr<SmartPointerTest>p1(new SmartPointerTest());
	p1->MemberFuncTest();
	std::cout<<p1.use_count()<<std::endl;
	system("pause");
}

當你這樣繼承自enable_shared_from_this的時候你就可以將自身的智慧指標傳入而不是建立一個新的組避免了重複釋放非常的方便

關於unique_ptr我們將會在下一篇文章進行詳細講解其實也很簡單就是他堆區資源的參照計數永遠只可能是一也就是說他的資源只可能被一個指標指向附帶而來的有一些小細節和普通的shared_ptr不同我們也就留在下一章再說了

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