快捷導(dǎo)航

C++ 智能指針使用不當(dāng)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏問題解析

更新時間：2024年07月08日 10:40:15 作者：**K

這篇文章主要介紹了C++ 智能指針使用不當(dāng)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏問題解析,本文通過代碼示例給大家介紹的非常詳細(xì),感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧

shared_ptr相互嵌套導(dǎo)致循環(huán)引用

代碼示例

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;
class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr;
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};
class B {
public:
    std::shared_ptr<A> a_ptr;
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
};
int main() {
    // 創(chuàng)建 shared_ptr 對象
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    // 相互引用
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    cout<<"use_count of a:"<<a.use_count()<<endl;
    cout<<"use_count of b:"<<b.use_count()<<endl;
    return 0;
}

解釋說明

創(chuàng)建了兩個 std::shared_ptr 對象 a 和 b。
a 持有 b 的 shared_ptr，b 持有 a 的 shared_ptr。
當(dāng) main 函數(shù)結(jié)束時，a 和 b 的引用計數(shù)不會減少到零，因此它們的析構(gòu)函數(shù)不會被調(diào)用。
導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，因為對象 A 和 B 的內(nèi)存不會被釋放。

解決方法

為了避免這種循環(huán)引用的問題，可以使用 std::weak_ptr。std::weak_ptr 是一種弱智能指針，它不會增加對象的引用計數(shù)。它可以用來打破循環(huán)引用，從而防止內(nèi)存泄漏。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;  // 先聲明類 B，使得 A 和 B 可以互相引用。
class A {
public:
    std::shared_ptr<B> b_ptr; // A 擁有 B 的強引用
    ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; }
};
class B {
public:
    std::weak_ptr<A> a_ptr; // B 擁有 A 的弱引用
    ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; }
    void safeAccess() {
        // 嘗試鎖定 a_ptr 獲取 shared_ptr
        if (auto a_shared = a_ptr.lock()) {
            // 安全訪問 a_shared 對象
            std::cout << "Accessing A from B\n";
        } else {
            std::cout << "A is already destroyed, cannot access A from B\n";
        }
    }
};
int main() {
    // 創(chuàng)建 shared_ptr 對象
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    // 互相引用
    a->b_ptr = b;
    b->a_ptr = a;
    // 安全訪問
    b->safeAccess();
    cout<<"use_count of a:"<<a.use_count()<<endl;
    cout<<"use_count of b:"<<b.use_count()<<endl;
    return 0; // 在這里，a 和 b 的引用計數(shù)將會正確地減少到零，并且它們將會被銷毀。
}

shared_ptr的層次使用沒有導(dǎo)致循環(huán)引用

shared_ptr<vector<shared_ptr<pair<string, shared_ptr<string>>>>> jsFiles;

這個聲明表示 jsFiles 是一個 std::shared_ptr，它指向一個 std::vector，向量中的每個元素是一個 std::shared_ptr，指向一個 std::pair 對象，而這個 std::pair 對象中包含一個 std::string 和一個 std::shared_ptr<std::string>。它們之間只是層次結(jié)構(gòu)，沒有跨層次的相互引用。也就是說沒有內(nèi)存泄漏的問題。證明如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <string>
using namespace std;
// 自定義 String 類，模擬 std::string
class MyString {
public:
    std::string data;
    MyString(const std::string& str) : data(str) {
        std::cout << "MyString created: " << data << std::endl;
    }
    ~MyString() {
        std::cout << "MyString destroyed: " << data << std::endl;
    }
    // 添加輸出操作符重載
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const MyString& myStr) {
        os << myStr.data;
        return os;
    }
};
// 自定義 Pair 類，模擬 std::pair
template<typename K, typename V>
class MyPair {
public:
    K first;
    V second;
    MyPair(const K& key, const V& value) : first(key), second(value) {
        std::cout << "MyPair created: {" << first << ", " << *second << "}" << std::endl;
    }
    ~MyPair() {
        std::cout << "MyPair destroyed: {" << first << ", " << *second << "}" << std::endl;
    }
};
int main() {
    // 創(chuàng)建 jsFiles，它是一個 shared_ptr，指向 vector
    auto jsFiles = std::make_shared<std::vector<std::shared_ptr<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>>>();
    // 添加元素
    auto innerPair1 = std::make_shared<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>("file1", std::make_shared<MyString>("content of file1"));
    auto innerPair2 = std::make_shared<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>("file2", std::make_shared<MyString>("content of file2"));
    jsFiles->push_back(innerPair1);
    jsFiles->push_back(innerPair2);
    // 訪問元素
    for (const auto& pairPtr : *jsFiles) {
        std::cout << "Filename: " << pairPtr->first << ", Content: " << *pairPtr->second << std::endl;
    }
    // 離開作用域時，智能指針會自動銷毀它們管理的對象
    return 0;
}

同時也證明了一個結(jié)論，構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用順序是相反的。

回調(diào)函數(shù)中的循環(huán)引用問題

值捕獲

#include <iostream>
#include <memory>
#include <functional>
class MyClass {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; }
    void setCallback(std::function<void()> cb) {
        callback_ = cb;
    }
    void executeCallback() {
        if (callback_) {
            callback_();
        }
    }
private:
    std::function<void()> callback_;
};
void createNoLeak() {
    auto myObject = std::make_shared<MyClass>();
    myObject->setCallback([=]() {
        std::cout << "Callback executed, myObject use count: " << myObject.use_count() << std::endl;
    });
    myObject->executeCallback();
}
int main() {
    createNoLeak();
    std::cout << "End of program" << std::endl;
    return 0;
}

可以看出myObject最后沒有調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，是shared_ptr循環(huán)引用了。

引用捕獲

如果換為引用捕獲，則不會造成 shared_ptr循環(huán)引用。雖然這種方式不會增加引用計數(shù)，但需要特別注意捕獲對象的生命周期，防止在 lambda 被調(diào)用時，對象已經(jīng)被銷毀，從而導(dǎo)致未定義行為。

如何解決

#include <iostream>
#include <memory>
#include <functional>
class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; }
    void setCallback(std::function<void()> cb) {
        callback_ = cb;
    }
    void executeCallback() {
        if (callback_) {
            callback_();
        }
    }
private:
    std::function<void()> callback_;
};
void createNoLeak() {
    auto myObject = std::make_shared<MyClass>();
    std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = myObject;
    myObject->setCallback([weakPtr]() {
        if (auto sharedPtr = weakPtr.lock()) {
            std::cout << "Callback executed, object is valid" << std::endl;
        } else {
            std::cout << "Object already destroyed" << std::endl;
        }
    });
    myObject->executeCallback();
    // 這里 myObject 是按 weak_ptr 捕獲，當(dāng) createNoLeak() 結(jié)束時，myObject 的生命周期也就結(jié)束了，并且引用計數(shù)=0
}
int main() {
    createNoLeak();
    std::cout << "End of program" << std::endl;
    return 0;
}

weakPtr.lock() 的使用：持有 std::weak_ptr，并且需要檢查或者使用其管理的對象。如果對象仍然存在（即它的 shared_ptr 引用計數(shù)大于零），我們希望獲取一個 shared_ptr 來安全地使用該對象。否則，weak_ptr.lock() 返回一個空的 shared_ptr。
std::enable_shared_from_this 是一個非常有用的標(biāo)準(zhǔn)庫模板類，用于解決一個特定的問題: 當(dāng)一個類的成員函數(shù)需要創(chuàng)建一個指向自己(this)的 std::shared_ptr 時，這類問題如何安全地實現(xiàn)。 std::enable_shared_from_this

背景問題

在使用 std::shared_ptr 管理對象時，有時會遇到需要在類的成員函數(shù)中獲取該對象的 shared_ptr 的情況。例如，在一個類的成員函數(shù)中，如果想要得到一個指向該對象的 shared_ptr，不能簡單地使用 std::shared_ptr<MyClass>(this)，因為這會創(chuàng)建一個新的 shared_ptr，而不是增加現(xiàn)有的 shared_ptr 的引用計數(shù)。這可能導(dǎo)致對象被提前銷毀或者多次銷毀。

std::enable_shared_from_this 的作用

通過繼承 std::enable_shared_from_this，類就能夠安全地使用 shared_from_this 方法，從而獲取一個 shared_ptr，該 shared_ptr 與其他 shared_ptr 共享所有權(quán)，而不會重復(fù)增加引用計數(shù)。

使用示例

#include <iostream>
#include <memory>
// 定義 MyClass 繼承 std::enable_shared_from_this<MyClass>
class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> {
public:
    MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; }
    ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; }
    // 一個成員函數(shù)，它需要返回一個指向自身的 shared_ptr
    std::shared_ptr<MyClass> getSharedPtr() {
        // 使用 shared_from_this 返回一個 shared_ptr
        return shared_from_this();
    }
    void doSomething() {
        auto ptr = shared_from_this(); // 獲取 shared_ptr
        std::cout << "Doing something with MyClass instance, ref count: " << ptr.use_count() << std::endl;
    }
};
void exampleFunction() {
    // 創(chuàng)建 MyClass 對象的 shared_ptr
    auto myObject = std::make_shared<MyClass>();
    // 調(diào)用成員函數(shù)獲取 shared_ptr
    auto mySharedPtr = myObject->getSharedPtr();
    std::cout << "Reference count after getSharedPtr: " << mySharedPtr.use_count() << std::endl;
    myObject->doSomething();
}
int main() {
    exampleFunction();
    return 0;
}

注意

1.創(chuàng)建對象:
只有通過 std::shared_ptr 創(chuàng)建或管理的對象，才能安全地使用 shared_from_this。

2. 保護(hù)避免使用 new 操作符:
直接使用 new 操作符創(chuàng)建的對象不能正確使用 shared_from_this，這樣做可能會導(dǎo)致未定義行為（例如崩潰）。

為什么 std::enable_shared_from_this 是必要的？

std::enable_shared_from_this 內(nèi)部維護(hù)了一個弱引用（std::weak_ptr）指向當(dāng)前對象。這個弱引用確保不會增加引用計數(shù)，同時允許 shared_from_this 方法安全地獲取 std::shared_ptr，從而真正共享管理的對象，避免不安全的重復(fù)引用計數(shù)增加。

通過這樣做，C++ STL 提供了一種方便而安全的方式來管理對象的生命周期，特別是在需要從對象內(nèi)部生成 shared_ptr的情境下。

總結(jié)

通過繼承 std::enable_shared_from_this，MyClass 能夠安全地在其成員函數(shù)中創(chuàng)建返回指向自身的 std::shared_ptr，避免不必要的重復(fù)引用計數(shù)，從而有效地管理和共享對象生命周期。這樣既提升了代碼的安全性，也使得對象生命周期管理變得更加簡潔和直觀。

到此這篇關(guān)于C++ 智能指針使用不當(dāng)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏問題的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 智能指針內(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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