一文掌握 C++ 智能指針的使用方法
一、RAII 與引用計(jì)數(shù)
了解 Objective-C/Swift
的程序員應(yīng)該知道引用計(jì)數(shù)的概念。引用計(jì)數(shù)這種計(jì)數(shù)是為了防止內(nèi)存泄露而產(chǎn)生的。
基本想法是對于動(dòng)態(tài)分配的對象,進(jìn)行引用計(jì)數(shù),每當(dāng)增加一次對同一個(gè)對象的引用,那么引用對象的引用計(jì)數(shù)就會增加一次, 每刪除一次引用,引用計(jì)數(shù)就會減一,當(dāng)一個(gè)對象的引用計(jì)數(shù)減為零時(shí),就自動(dòng)刪除指向的堆內(nèi)存。
在傳統(tǒng)C++中,『記得』手動(dòng)釋放資源,總不是最佳實(shí)踐。因?yàn)槲覀兒苡锌赡芫屯浟巳メ尫刨Y源而導(dǎo)致泄露。所以通常的做法是對于一個(gè)對象而言,我們在構(gòu)造函數(shù)的時(shí)候申請空間,而在析構(gòu)函數(shù)(在離開作用域時(shí)調(diào)用)的時(shí)候釋放空間, 也就是我們常說的 RAII
資源獲取即初始化技術(shù)。
凡事都有例外,我們總會有需要將對象在自由存儲上分配的需求,在傳統(tǒng) C++ 里我們只好使用 new
和 delete
去 『記得』對資源進(jìn)行釋放。而 C++11 引入了智能指針的概念,使用了引用計(jì)數(shù)的想法,讓程序員不再需要關(guān)心手動(dòng)釋放內(nèi)存。
這些智能指針就包括 std::shared_ptr std::unique_ptr std::weak_ptr
,使用它們需要包含頭文件<memory>。
注意:引用計(jì)數(shù)不是垃圾回收,引用計(jì)數(shù)能夠盡快收回不再被使用的對象,同時(shí)在回收的過程中也不會造成長時(shí)間的等待, 更能夠清晰明確的表明資源的生命周期。
二、std::shared_ptr
std::shared_ptr
是一種智能指針,它能夠記錄多少個(gè) shared_ptr
共同指向一個(gè)對象,從而消除顯式的調(diào)用 delete
,當(dāng)引用計(jì)數(shù)變?yōu)榱愕臅r(shí)候就會將對象自動(dòng)刪除。
但還不夠,因?yàn)槭褂?std::shared_ptr
仍然需要使用 new
來調(diào)用,這使得代碼出現(xiàn)了某種程度上的不對稱。
std::make_shared
就能夠用來消除顯式的使用 new
,所以 std::make_shared
會分配創(chuàng)建傳入?yún)?shù)中的對象, 并返回這個(gè)對象類型的 std::shared_ptr
指針。例如:
#include <iostream> #include <memory> void foo(std::shared_ptr<int> i) { (*i)++; } int main() { // auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment // Constructed a std::shared_ptr auto pointer = std::make_shared<int>(10); foo(pointer); std::cout << *pointer << std::endl; // 11 // The shared_ptr will be destructed before leaving the scope return 0; }
std::shared_ptr
可以通過 get()
方法來獲取原始指針,通過 reset()
來減少一個(gè)引用計(jì)數(shù), 并通過 use_count()
來查看一個(gè)對象的引用計(jì)數(shù)。例如:
auto pointer = std::make_shared<int>(10); auto pointerpointer2 = pointer; // 引用計(jì)數(shù)+1 auto pointerpointer3 = pointer; // 引用計(jì)數(shù)+1 int *p = pointer.get(); // 這樣不會增加引用計(jì)數(shù) std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3 std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3 std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3 pointer2.reset(); std::cout << "reset pointer2:" << std::endl; std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2 std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 reset std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2 pointer3.reset(); std::cout << "reset pointer3:" << std::endl; std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1 std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0 std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset
三、std::unique_ptr
std::unique_ptr
是一種獨(dú)占的智能指針,它禁止其他智能指針與其共享同一個(gè)對象,從而保證代碼的安全:
std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10); // make_unique 從 C++14 引入 std::unique_ptr<int> pointerpointer2 = pointer; // 非法
make_unique
并不復(fù)雜,C++11 沒有提供 std::make_unique
,可以自行實(shí)現(xiàn):
template<typename T, typename ...Args> std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) { return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) ); }
至于為什么沒有提供,C++ 標(biāo)準(zhǔn)委員會主席 Herb Sutter
在他的博客中提到原因是因?yàn)椤罕凰麄兺浟恕弧?/p>
既然是獨(dú)占,換句話說就是不可復(fù)制。但是,我們可以利用 std::move
將其轉(zhuǎn)移給其他的 unique_ptr
,例如:
#include <iostream> #include <memory> struct Foo { Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; } ~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; } void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; } }; void f(const Foo &) { std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl; } int main() { std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>()); // p1 不空, 輸出 if (p1) p1->foo(); { std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1)); // p2 不空, 輸出 f(*p2); // p2 不空, 輸出 if(p2) p2->foo(); // p1 為空, 無輸出 if(p1) p1->foo(); p1 = std::move(p2); // p2 為空, 無輸出 if(p2) p2->foo(); std::cout << "p2 被銷毀" << std::endl; } // p1 不空, 輸出 if (p1) p1->foo(); // Foo 的實(shí)例會在離開作用域時(shí)被銷毀 }
四、std::weak_ptr
如果你仔細(xì)思考 std::shared_ptr
就會發(fā)現(xiàn)依然存在著資源無法釋放的問題。看下面這個(gè)例子:
struct A; struct B; struct A { std::shared_ptr<B> pointer; ~A() { std::cout << "A 被銷毀" << std::endl; } }; struct B { std::shared_ptr<A> pointer; ~B() { std::cout << "B 被銷毀" << std::endl; } }; int main() { auto a = std::make_shared<A>(); auto b = std::make_shared<B>(); a->pointer = b; b->pointer = a; }
運(yùn)行結(jié)果是 A
, B
都不會被銷毀,這是因?yàn)?a,b
內(nèi)部的 pointer
同時(shí)又引用了 a,b
,這使得 a,b 的引用計(jì)數(shù)均變?yōu)榱?code> 2,而離開作用域時(shí),a,b 智能指針被析構(gòu),卻只能造成這塊區(qū)域的引用計(jì)數(shù)減一。
這樣就導(dǎo)致了 a,b 對象指向的內(nèi)存區(qū)域引用計(jì)數(shù)不為零,而外部已經(jīng)沒有辦法找到這塊區(qū)域了,也就造成了內(nèi)存泄露,如圖 1:
解決這個(gè)問題的辦法就是使用弱引用指針 std::weak_ptr,std::weak_ptr
是一種弱引用(相比較而言 std::shared_ptr
就是一種強(qiáng)引用)。
弱引用不會引起引用計(jì)數(shù)增加,當(dāng)換用弱引用時(shí)候,最終的釋放流程如圖 2 所示:
在上圖中,最后一步只剩下 B,而 B 并沒有任何智能指針引用它,因此這塊內(nèi)存資源也會被釋放。
std::weak_ptr
沒有 * 運(yùn)算符和 -> 運(yùn)算符,所以不能夠?qū)Y源進(jìn)行操作,它的唯一作用就是用于檢查 std::shared_ptr
是否存在,其 expired()
方法能在資源未被釋放時(shí),會返回 false
,否則返回 true
。
五、總結(jié)
智能指針這種技術(shù)并不新奇,在很多語言中都是一種常見的技術(shù),現(xiàn)代 C++ 將這項(xiàng)技術(shù)引進(jìn),在一定程度上消除了 new/delete
的濫用,是一種更加成熟的編程范式。
到此這篇關(guān)于一文掌握 C++ 智能指針的使用方法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 智能指針的使用內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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