c++智能指针详解

时间：2024-11-13 07:47:30

1.什么是智能指针

从比较简单的层面来看，智能指针是RAII(Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化)机制对普通指针进行的一层封装。这样使得智能指针的行为动作像一个指针，本质上却是一个对象，这样可以方便管理一个对象的生命周期。

在c++中，智能指针一共定义了4种：
auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr。其中，auto_ptr 在 C++11已被摒弃，在C++17中已经移除不可用。

2.原始指针的问题

原始指针的问题大家都懂，就是如果忘记删除，或者删除的情况没有考虑清楚，容易造成悬挂指针(dangling pointer)或者说野指针(wild pointer)。

我们看个简单的例子

objtype *p = new objtype();
p -> func();
delete p;

上面的代码结构是我们经常看到的。里面的问题主要有以下两点：
1.代码的最后，忘记执行delete p的操作。
2.第一点其实还好，比较容易发现也比较容易解决。比较麻烦的是，如果func()中有异常，delete p语句执行不到，这就很难办。有的同学说可以在func中进行删除操作，理论上是可以这么做，实际操作起来，会非常麻烦也非常复杂。

此时，智能指针就可以方便我们控制指针对象的生命周期。在智能指针中，一个对象什么情况下被析构或被删除，是由指针本身决定的，并不需要用户进行手动管理，是不是瞬间觉得幸福感提升了一大截，有点幸福来得太突然的意思，终于不用我自己手动删除指针了。

3.unique_ptr

unique_ptr是独享被管理对象指针所有权(owership)的智能指针。unique_ptr对象封装一个原始指针，并负责其生命周期。当该对象被销毁时，会在其析构函数中删除关联的原始指针。

创建unique_ptr:

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

void f1() {
    unique_ptr<int> p(new int(5));
    cout<<*p<<endl;
}

上面的代码就创建了一个unique_ptr。需要注意的是，unique_ptr没有复制构造函数，不支持普通的拷贝和赋值操作。因为unique_ptr独享被管理对象指针所有权，当p2, p3失去p的所有权时会释放对应资源，此时会执行两次delete p的操作。

void f1() {
    unique_ptr<int> p(new int(5));
    cout<<*p<<endl;
    unique_ptr<int> p2(p);
    unique_ptr<int> p3 = p;
}

对于p2,p3对应的行，IDE会提示报错

无法引用 函数 "std::__1::unique_ptr<_Tp, _Dp>::unique_ptr(const std::__1::unique_ptr<int, std::__1::default_delete<int>> &) [其中 _Tp=int, _Dp=std::__1::default_delete<int>]" (已隐式声明) -- 它是已删除的函数

unique_ptr虽然不支持普通的拷贝和赋值操作，但却可以将所有权进行转移，使用std::move方法即可。

void f1() {
    unique_ptr<int> p(new int(5));
    unique_ptr<int> p2 = std::move(p);
    //error，此时p指针为空: cout<<*p<<endl; 
    cout<<*p2<<endl;
}

unique最常见的使用场景，就是替代原始指针，为动态申请的资源提供异常安全保证。

objtype *p = new objtype();
p -> func();
delete p

前面我们分析了这部分代码的问题，如果我们修改一下

unique_ptr<objtype> p(new objtype());
p -> func();
delete p

此时我们只要unique_ptr创建成功，unique_ptr对应的析构函数都能保证被调用，从而保证申请的动态资源能被释放掉。

4.shared_ptr

我们提到的智能指针，很大程度上就是指的shared_ptr，shared_ptr也在实际应用中广泛使用。它的原理是使用引用计数实现对同一块内存的多个引用。在最后一个引用被释放时，指向的内存才释放，这也是和 unique_ptr 最大的区别。当对象的所有权需要共享(share)时，share_ptr可以进行赋值拷贝。
shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，删除所指向的堆内存。

std::shared_ptr<int> p4 = new int(1)

上面这种写法是错误的，因为右边得到的是一个原始指针，前面我们讲过shared_ptr本质是一个对象，将一个指针赋值给一个对象是不行的。

void f2() {
    shared_ptr<int> p = make_shared<int>(1);
    shared_ptr<int> p2(p);
    shared_ptr<int> p3 = p;
}

以上写法都是可以的

void f2() {
    shared_ptr<int> p = make_shared<int>(1);
    int *p2 = p.get();
    cout<<*p2<<endl;
}

上面的写法，可以获取shared_ptr的原始指针。

5.shared_ptr使用需要注意的点

5.1 不能将一个原始指针初始化多个shared_ptr

void f2() {
    int *p0 = new int(1);
    shared_ptr<int> p1(p0);
    shared_ptr<int> p2(p0);
    cout<<*p1<<endl;
}

上面代码就会报错。原因也很简单，因为p1,p2都要进行析构删除，这样会造成原始指针p0被删除两次，自然要报错。

5.2.循环引用问题

shared_ptr最大的坑就是循环引用。引用网络上的一个例子：

struct Father
{
    shared_ptr<Son> son_;
};

struct Son
{
    shared_ptr<Father> father_;
};

int main()
{
    auto father = make_shared<Father>();
    auto son = make_shared<Son>();

    father->son_ = son;
    son->father_ = father;

    return 0;
}

该部分代码会有内存泄漏问题。原因是
函数退出之前，Father 和 Son 对象的引用计数都是 2。
指针销毁，这时 Son 对象的引用计数是 1。
指针销毁，这时 Father 对象的引用计数是 1。
4.由于 Father 对象和 Son 对象的引用计数都是 1，这两个对象都不会被销毁，从而发生内存泄露。

为避免循环引用导致的内存泄露，就需要使用 weak_ptr。weak_ptr 并不拥有其指向的对象，也就是说，让 weak_ptr 指向 shared_ptr 所指向对象，对象的引用计数并不会增加。
使用 weak_ptr 就能解决前面提到的循环引用的问题，方法很简单，只要让 Son 或者 Father 包含的 shared_ptr 改成 weak_ptr 就可以了。

struct Father
{
    shared_ptr<Son> son_;
};

struct Son
{
    weak_ptr<Father> father_;
};

int main()
{
    auto father = make_shared<Father>();
    auto son = make_shared<Son>();

    father->son_ = son;
    son->father_ = father;

    return 0;
}

函数退出前，Son 对象的引用计数是 2，而 Father 的引用计数是 1。
指针销毁，Son 对象的引用计数变成 1。
指针销毁，Father 对象的引用计数变成 0，导致 Father 对象析构，Father 对象的析构会导致它包含的 son_ 指针被销毁，这时 Son 对象的引用计数变成 0，所以 Son 对象也会被析构。

6.智能指针小结

我们该如何选择智能指针：

如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，应选择 shared_ptr。这样的情况包括
1.有一个指针数组，并使用一些辅助指针来标示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；
2.两个对象包含都指向第三个对象的指针；
容器包含指针。很多 STL 算法都支持复制和赋值操作，这些操作可用于 shared_ptr，但不能用于 unique_ptr（编译器发出 warning）和 auto_ptr（行为不确定）。如果你的编译器没有提供 shared_ptr，可使用 Boost 库提供的 shared_ptr。

如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可使用 unique_ptr。如果函数使用 new 分配内存，并返还指向该内存的指针，将其返回类型声明为 unique_ptr 是不错的选择。这样，所有权转让给接受返回值的 unique_ptr，而该智能指针将负责调用 delete。

参考文献

/p/461837602

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