C++智能指针「建议收藏」

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

文章目录

一、基础知识介绍

裸指针常出现以下几个问题：

忘记释放资源，导致资源泄露（常发生内存泄漏问题）
同一资源释放多次，导致释放野指针，程序崩溃
写了释放资源的代码，但是由于程序逻辑满足条件，执行中间某句代码时程序就退出了，导致释放资源的代码未被执行到
代码运行过程中发生异常，随着异常栈展开，导致释放资源的代码未被执行到

template<typename T> 
class SmartPtr { 
   
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr) { 
   }
    ~SmartPtr() { 
   delete _ptr;}
private:
    T* _ptr;
};

int main(){ 
   
    SmartPtr<int> ptr(new int);
    return 0;
}

上面这段代码就是一个非常简单的智能指针，主要用到了这两点：

智能指针体现在把裸指针进行了面向对象的封装，在构造函数中初始化资源地址，在析构函数中负责释放资源
利用栈上的对象出作用域自动析构这个特点，在智能指针的析构函数中保证释放资源。所以，智能指针一般都是定义在栈上的

面试官：能不能在堆上定义智能指针？
答：不能。就好比SmartPtr<int>* ptr = new SmartPtr<int>();这段代码中，在堆空间定义一个智能指针，这依然需要我们手动进行delete，否则堆空间的对象无法释放，因为堆空间的对象无法利用出作用域自动调用析构函数。

一般而言智能指针还需要提供裸指针常见的*和->两种运算符的重载函数：

	const T& operator*() const{ 
   return *_ptr;}
    T& operator*(){ 
   return *_ptr;}
    const T operator->() const{ 
   return _ptr;}
    T operator->(){ 
   return _ptr;}

二、不带引用计数的智能指针auto_ptr、scoped_ptr、unique_ptr

int main(){ 
   
    SmartPtr<int> ptr1(new int);
    SmartPtr<int> ptr2(ptr1);
    return 0;
}

以上代码运行时，由于ptr2拷贝构造时默认是浅拷贝，两个对象底层的裸指针指向同一份资源，对象析构时，会出现同一资源释放两次的错误（释放野指针），这里需要解决两个问题：

智能指针的浅拷贝
多个智能指针指向同一个资源的时候，怎么保证资源只释放一次，而不是每个智能指针都释放一次

不带引用计数的智能指针主要包括：

C++库提供的auto_ptr
C++11提供的scoped_ptr，unique_ptr

（1）auto_ptr

	auto_ptr<int> ptr1(new int);
    auto_ptr<int> ptr2(ptr1);

我们运行，发现程序崩溃
在这里插入图片描述
这是因为构造ptr2时将ptr1置空了，析构ptr1时出错

auto_ptr源码

auto_ptr(auto_ptr& _Right) noexcept : _Myptr(_Right.release()) { 
   }

_Ty* release() noexcept { 
   
    _Ty* _Tmp = _Myptr;
    _Myptr    = nullptr;
    return _Tmp;
}

从auto_ptr构造可以看到，auto_ptr底层先是将ptr1置空，然后将指向的资源再给ptr2， auto_ptr所做的就是使最后一个构造的指针指向资源，以前的指针全都置空，如果再去访问以前的指针就是访问空指针了，这很危险。所以一般不使用auto_ptr

在这里插入图片描述
一般我们也不在容器中使用auot_ptr，以下程序会导致vec1中的指针元素全部为NULL

vector<auto_ptr<int>> vec1;
vector<auto_ptr> vec2(vec1);

（2）scoped_ptr

private:
    T * px;
    scoped_ptr(scoped_ptr const &);
    scoped_ptr & operator=(scoped_ptr const &);
    
    typedef scoped_ptr<T> this_type;
    void operator==( scoped_ptr const& ) const;
    void operator!=( scoped_ptr const& ) const;

scoped_ptr底层私有化了拷贝构造函数和operator=赋值函数，从根本上杜绝了智能指针浅拷贝的发生，所以scoped_ptr也是不能用在容器当中的。如果容器互相进行拷贝或者赋值，就会引起scoped_ptr对象的拷贝构造和赋值，这是不允许的，代码会提示编译错误。

auto_ptr和scoped_ptr这一点上的区别，有些资料上用所有权的概念来描述，道理是相同的。auto_ptr可以任意转移资源的所有权，而scoped_ptr不会转移所有权（因为拷贝构造和赋值被禁止了）

由于scoped_ptr无法进行任何的拷贝构造函数和operator=赋值，一般也不推荐使用scoped_ptr

（3）unique_ptr

unique_ptr做的事：

delete左值引用拷贝构造和赋值
提供右值引用拷贝构造或者赋值运算符
右值引用拷贝构造或者赋值时，会release前一个对象的资源

unique_ptr源码

	template <class _Dx2 = _Dx, enable_if_t<is_move_constructible_v<_Dx2>, int> = 0>
	// 右值拷贝构造
    unique_ptr(unique_ptr&& _Right) noexcept
        : _Mypair(_One_then_variadic_args_t{ 
   }, _STD forward<_Dx>(_Right.get_deleter()), _Right.release()) { 
   }
	
	unique_ptr(unique_ptr<_Ty2, _Dx2>&& _Right) noexcept
        : _Mypair(_One_then_variadic_args_t{ 
   }, _STD forward<_Dx2>(_Right.get_deleter()), _Right.release()) { 
   }
	
	// 拷贝构造或者赋值运算符的时候，用于将以前的智能指针置空
	pointer release() noexcept { 
   
        return _STD exchange(_Mypair._Myval2, nullptr);
    }	
	// delete左值引用拷贝构造和赋值
	unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
    unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;

从源码可以看到，unique_ptr直接delete了拷贝构造函数和operator=赋值重载函数，禁止用户对unique_ptr进行显示的拷贝构造和赋值，防止智能指针浅拷贝问题的发生

unique_ptr<int> p1(new int);
unique_ptr<int> p2(p1);

在这里插入图片描述
由于unique类delete了拷贝构造和赋值函数，所以以上代码是会报错的

但是unique_ptr提供了带右值引用参数的拷贝构造和赋值，即unique_ptr智能指针可以通过右值引用进行拷贝构造和赋值操作

	unique_ptr<int> ptr1(new int);
    unique_ptr<int> ptr2(std::move(ptr1));// 使用右值引用的拷贝构造，由于执行了release，ptr1已经被置空
    cout << (ptr1 == nullptr) << endl;    // true
    ptr2 = std::move(ptr1);               // 使用右值引用的operator=赋值重载函数
    cout << (ptr2 == nullptr) << endl;    // true

用临时对象构造新的对象时，也会调用带右值引用参数的函数

unique_ptr<int> get_unique_ptr() { 
   
    unique_ptr<int> tmp(new int);
    return tmp;
}

int main(){ 
   
    unique_ptr<int> ptr = get_unique_ptr(); // 调用带右值引用参数的拷贝构造函数，由tmp直接构造ptr
    return 0;
}

unique_ptr从名字就可以看出来，最终也是只能有一个智能指针引用资源，会release其他智能指针的资源

三、带引用计数的智能指针shared_ptr、weak_ptr

当多个智能指针指向同一个资源的时候，每一个智能指针都会给资源的引用计数加1，当一个智能指针析构时，同样会使资源的引用计数减1，最后一个智能指针把资源的引用计数从1减到0时，就说明该资源可以释放了，由最后一个智能指针的析构函数来处理资源的释放问题，这就是带引用计数的智能指针

要对资源的引用个数进行计数，那么大家知道，对于整数的++或者- -操作，它并不是线程安全的操作，因此shared_ptr和weak_ptr底层的引用计数已经通过CAS操作，保证了引用计数加减的原子特性，因此shared_ptr和weak_ptr本身就是线程安全的带引用计数的智能指针。

private:
    element_type* _Ptr{ 
   nullptr};
    _Ref_count_base* _Rep{ 
   nullptr};

智能指针的引用计数对象放在堆区

在shared_ptr和weak_ptr的基类_Ptr_base中，有两个和引用计数相关的成员，_Ptr是指向内存资源的指针，_Rep是指向new出来的计数器对象的指针

class shared_ptr : public _Ptr_base<_Ty>;
class weak_ptr : public _Ptr_base<_Ty>;

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

template<typename T>
class RefCnt { 
   
public:
    RefCnt(T* ptr = nullptr) : mptr(ptr) { 
   
        mcount = (mptr == nullptr) ? 0 : 1;
    }

    void addRef() { 
   
        mcount++;
    }

    int subRef() { 
   
        return --mcount;
    }

private:
    int mcount;      // mptr指向某个资源的引用计数，线程不安全。使用atomic_int线程安全
    T* mptr;         //指向智能指针内部指向资源的指针，间接指向资源
};

template<typename T>
class SmartPtr { 
   
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) { 
   
        cout << "SmartPtr()" << endl;
        mpRefCnt = new RefCnt<int>(_ptr); // 用指向资源的指针初始化引用计数对象
    }
    ~SmartPtr() { 
   
        if (0 == mpRefCnt->subRef()) { 
   
            cout << "释放资源析构~SmartPtr()" << endl;
            delete _ptr;
        }
        else { 
   
            cout << "空析构~SmartPtr()" << endl;
        }
    }

    const T& operator*() const { 
    return *_ptr; }
    T& operator*() { 
    return *_ptr; }
    const T operator->() const { 
    return _ptr; }
    T operator->() { 
    return _ptr; }

    SmartPtr(const SmartPtr<T>& src) :_ptr(src._ptr), mpRefCnt(src.mpRefCnt) { 
   
        cout << "SmartPtr(const SmartPtr<T>& src)" << endl;
        if (_ptr != nullptr) { 
   
            // 用于拷贝的对象已经引用了资源
            mpRefCnt->addRef();
        }
    }

    SmartPtr<T>& operator=(const SmartPtr<T>& src) { 
   
        cout << "SmartPtr<T>& operator=" << endl;
        if (this == &src) { 
   
            return *this;
        }
        // 当前智能指针指向和src相同的资源，考虑是否释放之前的资源
        if (0 == mpRefCnt->subRef()) { 
   
            // 若之前指向的资源引用计数为1，释放之前的资源
            delete _ptr;
        }
        _ptr = src._ptr;
        mpRefCnt = src.mpRefCnt;
        mpRefCnt->addRef();
        return *this;
    }
private:
    T* _ptr;        // 指向资源的指针
    RefCnt<T>* mpRefCnt; // 指向该资源引用计数的指针 
};

int main(){ 
   
    SmartPtr<int> ptr1(new int);
    SmartPtr<int> ptr2(ptr1);
    SmartPtr<int> ptr3;
    ptr3 = ptr2;
    *ptr2 = 100;
    cout << *ptr2 << " " << *ptr3 << endl;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

shared_ptr 和 weak_ptr

shared_ptr：强智能指针，可以改变资源的引用计数
weak_ptr：弱智能指针，不可改变资源的引用计数，只是一个观察者的角色，通过观察shared_ptr来判定资源是否存在。无法直接访问资源，需要先通过lock方法提升为shared_ptr强智能指针，才能访问资源

weak_ptr -> shared_ptr -> 资源

智能指针的交叉引用问题

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class B;

class A { 
   
public:
	A() { 
   
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() { 
   
		cout << "~A()" << endl;
	}
	shared_ptr<B> _ptrb;
};

class B { 
   
public:
	B() { 
   
		cout << "B()" << endl;
	}
	~B() { 
   
		cout << "~B()" << endl;
	}
	shared_ptr<A> _ptra;
};

int main() { 
   
	shared_ptr<A> pa(new A());
	shared_ptr<B> pb(new B());

	pa->_ptrb = pb;
	pb->_ptra = pa;

	cout << pa.use_count() << endl;
	cout << pb.use_count() << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述
可以看到，栈上pa和pb出作用域的时候，只能把引用计数从2减为1，无法执行析构函数。通过上面的代码示例，能够看出来交叉引用的问题所在，就是对象无法析构，资源无法释放，那怎么解决这个问题呢？
在这里插入图片描述
强弱智能指针的一个重要应用规则：定义对象和访问对象时用shared_ptr，引用对象时用weak_ptr

class B;

class A { 
   
public:
	A() { 
   
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() { 
   
		cout << "~A()" << endl;
	}
	weak_ptr<B> _ptrb;
};

class B { 
   
public:
	B() { 
   
		cout << "B()" << endl;
	}
	~B() { 
   
		cout << "~B()" << endl;
	}
	weak_ptr<A> _ptra;
};

在这里插入图片描述
weak_ptr只是用于观察资源，不能够使用资源，并没有实现operator*和operator->。我们可以使用weak_ptr对象的lock()方法返回shared_ptr对象，这个操作会增加资源的引用计数

四、多线程访问共享对象的线程安全问题

多线程环境中，线程A和线程B访问一个共享对象，如果线程A已经执行了这个对象的析构函数，释放了这个对象所有的资源。线程B又要调用该共享对象的成员方法，就会发生不可预期的错误

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>

using namespace std;

class A { 
   
public:
	A()
		:ptr_(new int(11))
	{ 
   
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() { 
   
		delete ptr_;
		cout << "~A()" << endl;
	}
	void test() { 
   
		cout << "*ptr = " << *ptr_ << endl;
	}

private:
	int* volatile ptr_;
};

void handler01(A* q) { 
   
	// 睡眠2s，使得主线程进行delete
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
	q->test();
}

int main() { 
   
	A* p = new A();
	thread t1(handler01, p);
	delete p;

	t1.join();  // 主线程等待子线程结束

	return 0;
}

在这里插入图片描述
可以看到，由于裸指针p指向的A对象已经delete，对象的堆空间已经释放，访问对象的数据成员ptr_出问题

在多线程访问共享对象的时候，往往需要lock检测一下对象是否存在。开启一个新线程，并传入共享对象的弱智能指针

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>

using namespace std;

class A { 
   
public:
	A()
		:ptr_(new int(11))
	{ 
   
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() { 
   
		delete ptr_;
		cout << "~A()" << endl;
	}
	void test() { 
   
		cout << "*ptr_ = " << *ptr_ << endl;
	}

private:
	int* volatile ptr_;
};

void handler01(weak_ptr<A> pw) { 
   
	shared_ptr<A> ps = pw.lock();
	if (ps != nullptr) { 
   
		ps->test();
	}
	else { 
   
		cout << "A对象已经析构，无法访问" << endl;
	}
}

int main() { 
   
	shared_ptr<A> p(new A());
	thread t1(handler01, weak_ptr<A>(p));

	t1.join();

	return 0;
}

在这里插入图片描述
成功访问A对象的数据成员

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>

using namespace std;

class A { 
   
public:
	A()
		:ptr_(new int(11))
	{ 
   
		cout << "A()" << endl;
	}
	~A() { 
   
		cout << "~A()" << endl;
		delete ptr_;
	}
	void test() { 
   
		cout << "*ptr_ = " << *ptr_ << endl;
	}

private:
	int* volatile ptr_;
};

void handler01(weak_ptr<A> pw) { 
   
	// 子线程等待，让main函数中的p出作用域析构
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	// 多线程环境中，需要检测当前对象是否存活，存活才能访问其方法和数据成员
	shared_ptr<A> ps = pw.lock();
	if (ps != nullptr) { 
   
		ps->test();
	}
	else { 
   
		cout << "A对象已经析构，无法访问" << endl;
	}
}

int main() { 
   
	{ 
   
		shared_ptr<A> p(new A());

		// 开启一个新线程，并传入共享对象的弱智能指针
		thread t1(handler01, weak_ptr<A>(p));  
		// 将子线程和主线程的关联分离，也就是说detach()后子线程在后台独立继续运行，
		// 主线程无法再取得子线程的控制权，即使主线程结束，子线程未执行也不会结束。
		t1.detach();
	}
	// 让主线程等待，给时间子线程执行，否则main函数最后会调用exit方法结束进程
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));

	return 0;
}

在这里插入图片描述

五、自定义删除器

通常我们使用智能指针管理的资源是堆内存，当智能指针出作用域的时候，在其析构函数中会delete释放堆内存资源，但是除了堆内存资源，智能指针还可以管理其它资源，比如打开的文件，此时对于文件指针的关闭，就不能用delete了，这时我们需要自定义智能指针释放资源的方法。

template<typename T> 
class ArrDeletor { 
   
public:
	// 对象删除的时候需要调用对应删除器的()重载函数
	void operator()(T* ptr) const { 
   
		cout << "ArrDeletor::operator()" << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

template<typename T>
class FileDeletor { 
   
public:
	// 对象删除的时候需要调用对应删除器的()重载函数
	void operator()(T* fp) const { 
   
		cout << "FileDeletor::operator()" << endl;
		fclose(fp);
	}
};

int main() { 
   
	unique_ptr<int, ArrDeletor<int>> ptr1(new int[100]);
	unique_ptr<FILE, FileDeletor<FILE>> ptr2(fopen("1.cpp", "w"));
	
	// 使用lambda表达式
	// function<返回值(参数)> 
	// []叫做捕获说明符，表示一个lambda表达式的开始。接下来是参数列表，即这个匿名的lambda函数的参数
	unique_ptr<int, function<void(int*)>> ptr1(
		new int[100],
		[](int* p)->void { 
   
			cout << "call lambda release new int[]" << endl;
			delete[] p;
		}
	);
	unique_ptr<FILE, function<void(FILE*)>>  ptr2(
		fopen("1.cpp", "w"),
		[](FILE* p)->void { 
   
			cout << "call lambda release fopen(\"1.cpp\", \"w\")" << endl;
			fclose(p);
		}
	);
	return 0;
}