【C++】初识智能指针:智能在哪?
最近被指针折磨了一下,赶紧来学习一下智能指针,希望以后都可以用智能指针替换“裸指针”,不要再自己去释放了。
一、什么是智能指针?
在说智能指针之前,先来看看“不智能指针”,也就是“裸指针”,这里直接简称指针。
指针是源自 C 语言的概念,本质上是一个内存地址索引,代表了一小片内存区域(也可能会很大),能够直接读写内存。
因为它完全映射了计算机硬件,所以操作效率高,是 C/C++ 高效的根源。当然,这也是引起无数麻烦的根源。访问无效数据、指针越界,或者内存分配后没有及时释放,就会导致运行错误、内存泄漏、资源丢失等一系列严重的问题。
像Java、GO等语言没有这方面的顾虑,因为它们内置了一个“垃圾回收”机制,会检测不再使用的内存,自动释放资源,让程序员不必为此费心。
而C++也不是没有垃圾回收,不过不是 Java、Go 那种严格意义上的垃圾回收,而是广义上的垃圾回收,这就是构造 / 析构函数和 RAII 惯用法(Resource Acquisition Is Initialization)。
也正是这个所谓的广义垃圾回收,让我们有了一丝自动内存释放、资源回收的希望。具体做法就是,应用代理模式,将裸指针包裹起来,在构造函数里初始化,在析构函数里释放,这样当对象失效销毁时,C++ 就会自动调用析构函数,完成内存释放、资源回收等清理工作。
智能指针就是这样一个替你应用代理模式,帮你包裹指针的东西。它完全实践了 RAII,包装了裸指针,而且因为重载了 * 和 -> 操作符,用起来和原始指针一模一样。
除此之外,还综合考虑了各种现实的应用场景,能够自动适应各种复杂的情况,防止误用指针导致的隐患非常“聪明”,所以被称为“智能指针”。
常用的有两种智能指针,分别是 unique_ptr和 shared_ptr。
二、unique_ptr
1、基本介绍
unique_ptr是最简单、最容易使用的一个智能指针,在声明的时候必须用模板参数指定类型:
unique_ptr<int> ptr1(new int(10)); // int智能指针
assert(*ptr1 == 10); // 可以使用*取内容
assert(ptr1 != nullptr); // 可以判断是否为空指针unique_ptr<string> ptr2(new string("hello")); // string智能指针
assert(*ptr2 == "hello"); // 可以使用*取内容
assert(ptr2->size() == 5); // 可以使用->调用成员函数
就跟前面说的那样,智能指针通过构造函数和析构函数完成资源获取和释放,所以智能指针本质上是一个对象,而不是像名字那样,是一个指针。所以,不要试图对它调用delete,它会自动管理初始化时的指针,在离开作用域的时候析构释放内存。
需要注意的是,它并没有定义加减运算,不能随意移动指针地址,避免了指针越界等危险操作,可以让代码更安全。
除此之外,不同于普通对象,智能指针需要在声明的时候进行初始化,未初始化的unique_ptr表示空指针,对未初始化的unique_ptr赋值,相当于直接操作了空指针,运行时会产生致命的错误(比如core dump)。
为了避免这些低级错误,可以通过调用工厂函数make_unique(),强制创建智能指针时必须初始化。
auto ptr3 = make_unique<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr3 && *ptr3 == 42);auto ptr4 = make_unique<string>("god of war"); // 工厂函数创建智能指针
assert(!ptr4->empty());
但是呢,make_unique() 要求 C++14,好在它的原理比较简单。如果你使用的是 C++11,也可以自己实现一个简化版的 make_unique(),参考如下:
template <class T, class... Args> // 可变参数模板
std::unique_ptr<T> // 返回智能指针
my_make_unique(Args &&...args) // 可变参数模板的入口参数
{return std::unique_ptr<T>( // 构造智能指针new T(std::forward<Args>(args)...)); // 完美转发
}
2、unique_ptr 的所有权
使用 unique_ptr 的时候还要特别注意指针的“所有权”问题。正如它的名字,表示指针的所有权是“唯一”的,不允许共享,任何时候只能有一个“人”持有它。
为了实现这个目的,unique_ptr 应用了 C++ 的“转移”(move)语义,同时禁止了拷贝赋值,所以,在向另一个 unique_ptr 赋值的时候,要特别留意,必须用 std::move() 函数显式地声明所有权转移。
赋值操作之后,指针的所有权被转走了,原来的unique_ptr变成了空指针,新的unique_ptr接替了管理权,保证所有权的唯一性:
auto ptr1 = make_unique<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr1 && *ptr1 == 42); // 此时智能指针有效auto ptr2 = std::move(ptr1); // 使用move()转移所有权
assert(!ptr1 && ptr2); // ptr1变成了空指针
三、shared_ptr
1、基本介绍
shared_ptr,它是一个比 unique_ptr 更“智能”的智能指针。和unique的用法几乎一样,代码如下:
shared_ptr<int> ptr1(new int(10)); // int智能指针
assert(*ptr1 == 10); // 可以使用*取内容shared_ptr<string> ptr2(new string("hello")); // string智能指针
assert(*ptr2 == "hello"); // 可以使用*取内容auto ptr3 = make_shared<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr3 && *ptr3 == 42); // 可以判断是否为空指针auto ptr4 = make_shared<string>("zelda"); // 工厂函数创建智能指针
assert(!ptr4->empty()); // 可以使用->调用成员函数
但 shared_ptr 的名字明显表示了它与 unique_ptr 的最大不同点:它的所有权是可以被安全共享的,也就是说支持拷贝赋值,允许被多个“人”同时持有,就像原始指针一样。
auto ptr1 = make_shared<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr1 && ptr1.unique() ); // 此时智能指针有效且唯一auto ptr2 = ptr1; // 直接拷贝赋值,不需要使用move()
assert(ptr1 && ptr2); // 此时两个智能指针均有效assert(ptr1 == ptr2); // shared_ptr可以直接比较// 两个智能指针均不唯一,且引用计数为2
assert(!ptr1.unique() && ptr1.use_count() == 2);
assert(!ptr2.unique() && ptr2.use_count() == 2);
shared_ptr 支持安全共享的秘密在于内部使用了“引用计数”。
引用计数最开始的时候是 1,表示只有一个持有者。如果发生拷贝赋值——也就是共享的时候,引用计数就增加,而发生析构销毁的时候,引用计数就减少。只有当引用计数减少到 0,也就是说,没有任何人使用这个指针的时候,它才会真正调用 delete 释放内存。
因为 shared_ptr 具有完整的“值语义”(即可以拷贝赋值),所以,**它可以在任何场合替代原始指针,而不用再担心资源回收的问题,**比如用于容器存储指针、用于函数安全返回动态创建的对象,等等。
2、shared_ptr 的注意事项
虽然 shared_ptr 非常“智能”,但天下没有免费的午餐,它也是有代价的,引用计数的存储和管理都是成本,这方面是 shared_ptr 不如 unique_ptr 的地方。
如果不考虑应用场合,过度使用 shared_ptr 就会降低运行效率。不过,你也不需要太担心,shared_ptr 内部有很好的优化,在非极端情况下,它的开销都很小。
第二个要注意的地方是 shared_ptr 的销毁动作。
你要特别小心对象的析构函数,不要有非常复杂、严重阻塞的操作。一旦 shared_ptr 在某个不确定时间点析构释放资源,就会阻塞整个进程或者线程,“整个世界都会静止不动”
class DemoShared final // 危险的类,不定时的地雷
{
public:DemoShared() = default;~DemoShared() // 复杂的操作会导致shared_ptr析构时世界静止{// Stop The World ...}
};
最后,就是“循环引用”的问题,这在把 shared_ptr 作为类成员的时候最容易出现,典型的例子就是链表节点。
class Node final
{
public:using this_type = Node;using shared_type = std::shared_ptr<this_type>;
public:shared_type next; // 使用智能指针来指向下一个节点
};auto n1 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针
auto n2 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针assert(n1.use_count() == 1); // 引用计数为1
assert(n2.use_count() == 1);n1->next = n2; // 两个节点互指,形成了循环引用
n2->next = n1;assert(n1.use_count() == 2); // 引用计数为2
assert(n2.use_count() == 2); // 无法减到0,无法销毁,导致内存泄漏
在这里,两个节点指针刚创建时,引用计数是 1,但指针互指(即拷贝赋值)之后,引用计数都变成了 2。
这个时候,shared_ptr 就“犯傻”了,意识不到这是一个循环引用,多算了一次计数,后果就是引用计数无法减到 0,无法调用析构函数执行 delete,最终导致内存泄漏。
可能上面这个例子,很容易看出来,但在实际开发中,很难肉眼看到,,这时候就需要weak_ptr这个帮手了。
weak_ptr 顾名思义,功能很“弱”。它专门为打破循环引用而设计,只观察指针,不会增加引用计数(弱引用),但在需要的时候,可以调用成员函数 lock(),获取 shared_ptr(强引用)。
刚才的例子里,只要你改用 weak_ptr,循环引用的烦恼就会烟消云散:
class Node final
{
public:using this_type = Node;// 注意这里,别名改用weak_ptrusing shared_type = std::weak_ptr<this_type>;
public:shared_type next; // 因为用了别名,所以代码不需要改动
};auto n1 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针
auto n2 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针n1->next = n2; // 两个节点互指,形成了循环引用
n2->next = n1;assert(n1.use_count() == 1); // 因为使用了weak_ptr,引用计数为1
assert(n2.use_count() == 1); // 打破循环引用,不会导致内存泄漏if (!n1->next.expired()) { // 检查指针是否有效auto ptr = n1->next.lock(); // lock()获取shared_ptrassert(ptr == n2);
}
四、总结
主要知识点:
- 智能指针是代理模式的具体应用,它使用 RAII 技术代理了裸指针,能够自动释放内存,无需程序员干预,所以被称为“智能指针”。
- 如果指针是“独占”使用,就应该选择 unique_ptr,它为裸指针添加了很多限制,更加安全。
- 如果指针是“共享”使用,就应该选择 shared_ptr,它的功能非常完善,用法几乎与原始指针一样。
- 应当使用工厂函数 make_unique()、make_shared() 来创建智能指针,强制初始化,而且还能使用 auto 来简化声明。
- shared_ptr 有少量的管理成本,也会引发一些难以排查的错误,所以不要过度使用。
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