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C++中的智能指針舉例詳解及注意事項(xiàng)

 更新時(shí)間:2025年03月29日 08:35:30   作者:MobiCetus  
智能指針是C++中用于管理動(dòng)態(tài)分配資源的強(qiáng)大工具,通過(guò)正確使用智能指針,可以顯著減少內(nèi)存泄漏的可能性,這篇文章主要介紹了C++中的智能指針舉例詳解及注意事項(xiàng)的相關(guān)資料,文中通過(guò)代碼介紹的非常詳細(xì),需要的朋友可以參考下

指針用于訪(fǎng)問(wèn)程序外部的資源——如堆內(nèi)存。因此,訪(fǎng)問(wèn)堆內(nèi)存(如果在堆中創(chuàng)建了任何內(nèi)容)時(shí),需要使用指針。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)任何外部資源時(shí),我們只使用該資源的副本。如果我們對(duì)其進(jìn)行修改,我們只會(huì)改變副本的版本。但如果我們使用指針來(lái)訪(fǎng)問(wèn)資源,我們將能夠修改原始資源。

C++ 中普通指針的一些問(wèn)題如下:

內(nèi)存泄漏:當(dāng)程序反復(fù)分配內(nèi)存但從未釋放時(shí),會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。這會(huì)導(dǎo)致過(guò)度的內(nèi)存消耗,最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

懸空指針:懸空指針是指在對(duì)象從內(nèi)存中被釋放后,沒(méi)有修改指針的值。此時(shí),指針仍然指向已釋放的內(nèi)存。

野指針:野指針是已經(jīng)聲明并分配了內(nèi)存的指針,但該指針從未初始化為指向有效的對(duì)象或地址。

數(shù)據(jù)不一致:數(shù)據(jù)不一致發(fā)生在一些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中,但沒(méi)有以一致的方式更新。

// C++ 程序演示指針的工作方式
#include <iostream>
using namespace std;

class Rectangle {
private:
    int length;
    int breadth;
};

void fun() {
    // 使用指針 p 并動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一個(gè) Rectangle 對(duì)象
    Rectangle* p = new Rectangle();
}

int main() {
    // 無(wú)限循環(huán)
    while (1) {
        fun();
    }
}

輸出

Memory limit exceeded

解釋?zhuān)?/h3>

在 fun 函數(shù)中,創(chuàng)建了一個(gè)指針 p,它指向一個(gè) Rectangle 對(duì)象。這個(gè)對(duì)象包含兩個(gè)整數(shù):length 和 breadth。當(dāng) fun 函數(shù)結(jié)束時(shí),指針 p 會(huì)被銷(xiāo)毀,因?yàn)樗且粋€(gè)局部變量。然而,它占用的內(nèi)存并沒(méi)有被釋放,因?yàn)槲覀兺浭褂?nbsp;delete p; 來(lái)刪除它。這意味著內(nèi)存不會(huì)被釋放,無(wú)法供其他資源使用。雖然我們不再需要這個(gè)變量,但我們需要釋放內(nèi)存。

在 main 函數(shù)中,fun 函數(shù)被無(wú)限次調(diào)用。每次調(diào)用都會(huì)創(chuàng)建 p,但內(nèi)存沒(méi)有被釋放。隨著調(diào)用的進(jìn)行,內(nèi)存不斷增加,但不會(huì)被回收。由于沒(méi)有釋放的內(nèi)存,最終會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏,整個(gè)堆內(nèi)存可能因此變得無(wú)用。

智能指針

正如我們不自覺(jué)地發(fā)現(xiàn)的那樣,未釋放指針會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏,可能會(huì)導(dǎo)致程序崩潰。Java、C# 等語(yǔ)言通過(guò)垃圾回收機(jī)制來(lái)智能地釋放未使用的內(nèi)存。C++ 也有自己的機(jī)制:智能指針。當(dāng)對(duì)象被銷(xiāo)毀時(shí),智能指針會(huì)自動(dòng)釋放內(nèi)存。因此,我們不需要手動(dòng)調(diào)用 delete 來(lái)釋放內(nèi)存。

智能指針是一個(gè)指針的封裝類(lèi),重載了像 * 和 -> 等操作符。智能指針類(lèi)的對(duì)象看起來(lái)像普通指針,但與普通指針不同,它可以釋放銷(xiāo)毀的對(duì)象內(nèi)存。

智能指針的思想是創(chuàng)建一個(gè)包含指針、析構(gòu)函數(shù)和重載操作符(如 * 和 ->)的類(lèi)。由于析構(gòu)函數(shù)會(huì)在對(duì)象超出作用域時(shí)自動(dòng)調(diào)用,因此動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存會(huì)自動(dòng)被刪除(或者引用計(jì)數(shù)會(huì)減少)。

// C++ 程序演示智能指針的工作方式
#include <iostream>
using namespace std;

class SmartPtr {
    int* ptr; // 實(shí)際指針
public:
    // 構(gòu)造函數(shù)
    explicit SmartPtr(int* p = NULL) { ptr = p; }

    // 析構(gòu)函數(shù)
    ~SmartPtr() { delete (ptr); }

    // 重載解引用操作符
    int& operator*() { return *ptr; }
};

int main() {
    SmartPtr ptr(new int());
    *ptr = 20;
    cout << *ptr;

    // 我們不需要調(diào)用 delete ptr:當(dāng)對(duì)象 ptr 超出作用域時(shí)
    // 它的析構(gòu)函數(shù)會(huì)自動(dòng)被調(diào)用,析構(gòu)函數(shù)會(huì)刪除 ptr。

    return 0;
}

輸出

20

指針與智能指針的區(qū)別

指針智能指針
指針是一個(gè)存儲(chǔ)內(nèi)存地址和該內(nèi)存位置數(shù)據(jù)類(lèi)型信息的變量。指針是指向內(nèi)存中某個(gè)位置的變量。智能指針是一個(gè)指針?lè)庋b的棧分配對(duì)象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),智能指針是封裝指針的類(lèi)。
它不會(huì)在作用域結(jié)束時(shí)銷(xiāo)毀。它在作用域結(jié)束時(shí)會(huì)銷(xiāo)毀自己。
指針沒(méi)有額外的特性,效率較低。智能指針效率更高,因?yàn)樗哂袃?nèi)存管理的附加功能。
指針是手動(dòng)管理的。智能指針是自動(dòng)管理的。

注意:

這僅適用于 int 類(lèi)型。那我們必須為每個(gè)對(duì)象創(chuàng)建智能指針嗎?不,解決方案是模板。如下所示,T 可以是任何類(lèi)型。

示例:使用模板解決問(wèn)題

// C++ 程序演示模板的工作方式,并解決指針問(wèn)題
#include <iostream>
using namespace std;

// 通用智能指針類(lèi)
template <class T> class SmartPtr {
    T* ptr; // 實(shí)際指針
public:
    // 構(gòu)造函數(shù)
    explicit SmartPtr(T* p = NULL) { ptr = p; }

    // 析構(gòu)函數(shù)
    ~SmartPtr() { delete (ptr); }

    // 重載解引用操作符
    T& operator*() { return *ptr; }

    // 重載箭頭操作符,這樣可以像指針一樣訪(fǎng)問(wèn) T 的成員
    T* operator->() { return ptr; }
};

int main() {
    SmartPtr<int> ptr(new int());
    *ptr = 20;
    cout << *ptr;
    return 0;
}

輸出

20

注意:

智能指針也非常適用于資源管理,比如文件句柄或網(wǎng)絡(luò)套接字等。

智能指針的類(lèi)型

C++ 庫(kù)提供了以下類(lèi)型的智能指針實(shí)現(xiàn):

  • auto_ptr

  • unique_ptr

  • shared_ptr

  • weak_ptr

auto_ptr

使用 auto_ptr,可以管理通過(guò) new 表達(dá)式獲取的對(duì)象,并在 auto_ptr 自身銷(xiāo)毀時(shí)刪除它們。當(dāng)通過(guò) auto_ptr 描述一個(gè)對(duì)象時(shí),它會(huì)存儲(chǔ)指向單個(gè)分配對(duì)象的指針。

注意:從 C++11 起,auto_ptr 被棄用。unique_ptr 是一個(gè)類(lèi)似的功能,但它提供了更高的安全性。

unique_ptr

unique_ptr 只存儲(chǔ)一個(gè)指針。我們可以通過(guò)移除當(dāng)前對(duì)象并指向另一個(gè)對(duì)象來(lái)重新賦值。

實(shí)例

// C++ 程序演示 unique_ptr 的工作方式
// 這里我們展示 unique_ptr 指向 P1。
// 但是我們移除了 P1 并將其指向 P2,因此指針現(xiàn)在
// 指向 P2。

#include <iostream>
using namespace std;
// 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理庫(kù)
#include <memory>

class Rectangle {
    int length;
    int breadth;

public:
    Rectangle(int l, int b)
    {
        length = l;
        breadth = b;
    }

    int area() { return length * breadth; }
};

int main()
{
    // 智能指針
    unique_ptr<Rectangle> P1(new Rectangle(10, 5));
    cout << P1->area() << endl; // 打印 50

    // unique_ptr<Rectangle> P2(P1);
    unique_ptr<Rectangle> P2;
    P2 = move(P1);

    cout << P2->area() << endl;

    return 0;
}

50
50

shared_ptr

通過(guò) shared_ptr,多個(gè)指針可以同時(shí)指向同一個(gè)對(duì)象,它將使用 use_count() 方法來(lái)維護(hù)引用計(jì)數(shù)。

// C++ 程序演示 shared_ptr 的工作方式
// 這里智能指針 P1 和 P2 都指向同一個(gè)
// 對(duì)象,并且它們都會(huì)保持該對(duì)象的引用。

#include <iostream>
using namespace std;
// 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理庫(kù)
#include <memory>

class Rectangle {
    int length;
    int breadth;

public:
    Rectangle(int l, int b)
    {
        length = l;
        breadth = b;
    }

    int area() { return length * breadth; }
};

int main()
{
    // 智能指針
    shared_ptr<Rectangle> P1(new Rectangle(10, 5));
    cout << P1->area() << endl;

    shared_ptr<Rectangle> P2;
    P2 = P1;

    cout << P2->area() << endl;

    cout << P1->area() << endl;
    cout << P1.use_count() << endl;
    return 0;
}

50
50
50
2

weak_ptr

weak_ptr 是一種智能指針,它持有一個(gè)非擁有的引用。它與 shared_ptr 非常相似,但不會(huì)維護(hù)引用計(jì)數(shù)。這樣,指針不會(huì)對(duì)對(duì)象保持強(qiáng)引用,避免了通過(guò) shared_ptr 創(chuàng)建的循環(huán)依賴(lài)問(wèn)題。

// C++ 程序演示 weak_ptr 的工作方式
// 這里智能指針 P1 和 P2 都指向同一個(gè)
// 對(duì)象,但它們都不保持對(duì)象的引用。

#include <iostream>
using namespace std;
// 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理庫(kù)
#include <memory>

class Rectangle {
    int length;
    int breadth;

public:
    Rectangle(int l, int b)
    {
        length = l;
        breadth = b;
    }

    int area() { return length * breadth; }
};

int main()
{
    // 智能指針
    shared_ptr<Rectangle> P1(new Rectangle(10, 5));
  
    // 創(chuàng)建 weak_ptr
    weak_ptr<Rectangle> P2(P1);
  
    cout << P1->area() << endl;
    cout << P1.use_count() << endl;
    return 0;
}

50
1

總結(jié)

到此這篇關(guān)于C++中的智能指針舉例詳解及注意事項(xiàng)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++智能指針內(nèi)容請(qǐng)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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