【C++笔记】C++11智能指针的使用及其原理

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了C++的异常机制。今天我们来讲一下C++智能指针的使用及其原理。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋

1.智能指针的使用场景分析

下面程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后面的delete没有得到执行，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本身也可能抛异常，连续的两个new和下面的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很麻烦。智能指针放到这样的场景里面就让问题简单多了。

#include<iostream>
using namespace std;
double Divide(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0){throw "Divide by zero condition!";}else{return (double)a / (double)b;}
}
void Func()
{// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array和array2没有得到释放。// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。// 但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案// 是智能指针，否则代码太戳了int* array1 = new int[10];int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢try{int len, time;cin >> len >> time;cout << Divide(len, time) << endl;}catch (...){cout << "delete []" << array1 << endl;cout << "delete []" << array2 << endl;delete[] array1;delete[] array2;throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么}// ...cout << "delete []" << array1 << endl;delete[] array1;cout << "delete []" << array2 << endl;delete[] array2;
}
int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

2. RAII和智能指针的设计思路

• RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是一种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利用对象生命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这里的资源可以是内存、文件指针、网络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。
• 智能指针类除了满足RAII的设计思路，还要方便资源的访问，所以智能指针类还会像迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，方便访问资源。

#include<iostream>
using namespace std;
template<class T>
class SmartPtr
{
public:// RAIISmartPtr(T* ptr):_ptr(ptr){}~SmartPtr(){cout << "delete[] " << _ptr << endl;delete[] _ptr;}// 重载运算符，模拟指针的⾏为，⽅便访问资源T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T& operator[](size_t i){return _ptr[i];}
private:T* _ptr;
};
double Divide(int a, int b)
{// 当b == 0时抛出异常if (b == 0){throw "Divide by zero condition!";}else{return (double)a / (double)b;}
}
void Func()
{// 这⾥使⽤RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序简单多了SmartPtr<int> sp1 = new int[10];SmartPtr<int> sp2 = new int[10];for (size_t i = 0; i < 10; i++){sp1[i] = sp2[i] = i;}int len, time;cin >> len >> time;cout << Divide(len, time) << endl;
}
int main()
{try{Func();}catch (const char* errmsg){cout << errmsg << endl;}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

3. C++标准库智能指针的使用

• C++标准库中的智能指针都在memor这个头文件下面，我们包含memor就可以是使用了，智能指针有好几种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的行为，原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。
• auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给拷贝对象，这是⼀个非常糟糕的设计，因为他会到被拷贝对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使用auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁止使用这个智能指针的。
• unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点的不支持拷贝，只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用他。
• shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是支持拷贝，也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用他了。底层是用引用计数的方式实现的。
• weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上面的智能指针，他不支持RAII，也就意味着不能用它直接管理资源，weak_ptr的产生本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引用导致内存泄漏的问题。具体细节下面我们再细讲。
• 智能指针析构时默认是进行delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针只支持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调用对象，这个可调用对象中实现你想要的释放资源的方式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。因为new[]经常使用，所以为了简洁⼀点，unique_ptr和shared_ptr 都特化了⼀份[]的版本，使用时 unique_ptr<Date[]>up1(newDate[5]);
  shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。
• shared_ptr 除了支持用指向资源的指针构造，还支持 make_shared 用初始化资源对象的值直接构造。
• shared_ptr 和 unique_ptr 都支持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。
• shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使用explicit 修饰，防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

struct Date
{int _year;int _month;int _day;Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}~Date(){cout << "~Date()" << endl;}
};
int main()
{auto_ptr<Date> ap1(new Date);// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空auto_ptr<Date> ap2(ap1);// 空指针访问，ap1对象已经悬空//ap1->_year++;unique_ptr<Date> up1(new Date);// 不⽀持拷⻉//unique_ptr<Date> up2(up1);// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎unique_ptr<Date> up3(move(up1));shared_ptr<Date> sp1(new Date);// ⽀持拷⻉shared_ptr<Date> sp2(sp1);shared_ptr<Date> sp3(sp2);cout << sp1.use_count() << endl;sp1->_year++;cout << sp1->_year << endl;cout << sp2->_year << endl;cout << sp3->_year << endl;// ⽀持移动，但是移动后sp1也悬空，所以使⽤移动要谨慎shared_ptr<Date> sp4(move(sp1));return 0;
}
template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{delete[] ptr;
}
template<class T>
class DeleteArray
{
public:void operator()(T* ptr){delete[] ptr;}
};
class Fclose
{
public:void operator()(FILE* ptr){cout << "fclose:" << ptr << endl;fclose(ptr);}
};
int main()
{// 这样实现程序会崩溃// unique_ptr<Date>upl(new Date[10]);//shared ptr<Date>spi(new Date[10]);// 解决⽅案1// 因为new[]经常使⽤，所以unique_ptr和shared_ptr// 实现了⼀个特化版本，这个特化版本析构时⽤的delete[]unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);// 解决⽅案2// 仿函数对象做删除器//unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5], DeleteArray<Date>());// unique_ptr和shared_ptr⽀持删除器的⽅式有所不同// unique_ptr是在类模板参数⽀持的，shared_ptr是构造函数参数⽀持的// 这⾥没有使⽤相同的⽅式还是挺坑的// 使⽤仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递，因为仿函数类型构造的对象直接就可以调⽤// 但是下⾯的函数指针和lambda的类型不可以unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());// 函数指针做删除器unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);// lambda表达式做删除器auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);// 实现其他资源管理的删除器shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {cout << "fclose:" << ptr << endl;fclose(ptr);});return 0;
}
int main()
{shared_ptr<Date> sp1(new Date(2024, 9, 11));shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);auto sp3 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);shared_ptr<Date> sp4;// if (sp1.operator bool())if (sp1)cout << "sp1 is not nullptr" << endl;if (!sp4)cout << "sp1 is nullptr" << endl;// 报错shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11);return 0;
}

关于delete和delete []不匹配问题这篇博文有阐述：delete和delete []不匹配问题

现在我们来自己实现定制删除器的shered_ptr。

4. 智能指针的原理

• 下面我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核心功能，这两个智能指针的实现比较简单，大家了解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象，这种思路是不被认可的，也不建议使⽤。unique_ptr的思路是不支持拷贝。
• 大家重点要看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引用计数的设计，主要这里⼀份资源就需要⼀个引用计数，所以引用计数才用静态成员的方式是无法实现的，要使用堆上动态开辟的方式，构造智能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引用计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引用计数，shared_ptr对象析构时就–引用计数，引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀个管理资源的对象，则析构资源。

namespace bit
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr){// 管理权转移sp._ptr = nullptr;}auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap){// 检测是否为⾃⼰给⾃⼰赋值if (this != &ap){// 释放当前对象中资源if (_ptr)delete _ptr;// 转移ap中资源到当前对象中_ptr = ap._ptr;ap._ptr = NULL;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 像指针⼀样使⽤T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};template<class T>class unique_ptr{public:explicit unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}~unique_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 像指针⼀样使⽤T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;unique_ptr(unique_ptr<T> && sp):_ptr(sp._ptr){sp._ptr = nullptr;}unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>&& sp){delete _ptr;_ptr = sp._ptr;sp._ptr = nullptr;}private:T* _ptr;};template<class T>class shared_ptr{public:explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr), _pcount(new int(1)){}template<class D>shared_ptr(T* ptr, D del): _ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _del(del){}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount), _del(sp._del){++(*_pcount);}void release(){if (--(*_pcount) == 0){// 最后⼀个管理的对象，释放资源_del(_ptr);delete _pcount;_ptr = nullptr;_pcount = nullptr;}}shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr){release();_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;++(*_pcount);_del = sp._del;}return *this;}~shared_ptr(){release();}T* get() const{return _ptr;}int use_count() const{return *_pcount;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;int* _pcount;//atomic<int>* _pcount;function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };};// 需要注意的是我们这⾥实现的shared_ptr和weak_ptr都是以最简洁的⽅式实现的，// 只能满⾜基本的功能，这⾥的weak_ptr lock等功能是⽆法实现的，想要实现就要// 把shared_ptr和weak_ptr⼀起改了，把引⽤计数拿出来放到⼀个单独类型，shared_ptr// 和weak_ptr都要存储指向这个类的对象才能实现，有兴趣可以去翻翻源代码template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr(){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp.get()){}weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){_ptr = sp.get();return *this;}private:T* _ptr = nullptr;};
}
int main()
{bit::auto_ptr<Date> ap1(new Date);// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空bit::auto_ptr<Date> ap2(ap1);// 空指针访问，ap1对象已经悬空//ap1->_year++;bit::unique_ptr<Date> up1(new Date);// 不⽀持拷⻉//unique_ptr<Date> up2(up1);// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎bit::unique_ptr<Date> up3(move(up1));bit::shared_ptr<Date> sp1(new Date);// ⽀持拷⻉bit::shared_ptr<Date> sp2(sp1);bit::shared_ptr<Date> sp3(sp2);cout << sp1.use_count() << endl;sp1->_year++;cout << sp1->_year << endl;cout << sp2->_year << endl;cout << sp3->_year << endl;return 0;
}

5. shared_ptr和weak_ptr

5.1 shared_ptr循环引用问题

• shared_ptr大多数情况下管理资源非常合适，支持RAII，也支持贝。但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因，并且学会使用weak_ptr解决这种问题。
• 如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引用计数减到1
• 右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
• _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
• 左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释
  放了。
• _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
• 至此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用，谁都不会释放就形成了循环引用，导致内存泄漏
• 把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引用计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引用，解决了这里的问题

struct ListNode
{int _data;std::shared_ptr<ListNode> _next;std::shared_ptr<ListNode> _prev;// 这⾥改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时// 不增加n2的引⽤计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了/*std::weak_ptr<ListNode> _next;std::weak_ptr<ListNode> _prev;*/~ListNode(){cout << "~ListNode()" << endl;}
};
int main()
{// 循环引⽤ -- 内存泄露std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;n1->_next = n2;n2->_prev = n1;cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;// weak_ptr不⽀持管理资源，不⽀持RAII// weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引⽤计数，作为⼀些场景的辅助管理//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);return 0;
}

5.2 weak_ptr

• waek_ptr不支持RAII，也不支持访问资源，所以我们看文档发现weak_ptr构造时不支持绑定到资源，只支持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引用计数，那么就可以解决上述的循环引用问题。
• weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr支持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引用计数，weak_ptr想访问资源时，可以调用lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。

int main()
{std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));std::shared_ptr<string> sp2(sp1);std::weak_ptr<string> wp = sp1;cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了sp1 = make_shared<string>("222222");cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;sp2 = make_shared<string>("333333");cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;wp = sp1;//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();auto sp3 = wp.lock();cout << wp.expired() << endl;cout << wp.use_count() << endl;*sp3 += "###";cout << *sp1 << endl;return 0;
}

6. shared_ptr的线程安全问题

• shared_ptr的引用计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进行shared_ptr的拷拷贝析构时会访问修改引用计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。
• shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该有外层使用shared_ptr的人进行线程安全的控制。
• 下面的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr引用计数从int*改成atomic*就可以保证引用计数的线程安全问题，或者使用互斥锁加锁也可以。

#include<thread>
#include<mutex>
struct AA
{int _a1 = 0;int _a2 = 0;~AA(){cout << "~AA()" << endl;}
};
int main()
{bit::shared_ptr<AA> p(new AA);const size_t n = 100000;mutex mtx;auto func = [&](){for (size_t i = 0; i < n; ++i){// 这⾥智能指针拷⻉会++计数bit::shared_ptr<AA> copy(p);{unique_lock<mutex> lk(mtx);copy->_a1++;copy->_a2++;}}};thread t1(func);thread t2(func);t1.join();t2.join();cout << p->_a1 << endl;cout << p->_a2 << endl;cout << p.use_count() << endl;return 0;
}

7. C++11和boost中智能指针的关系

• Boost库是为C++语言标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建立的初衷之⼀就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现，Boost社区的发起人Dawes本人就是C++标准委员会的成员之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
• C++ 98 中产生了第⼀个智能指针auto_ptr。
• C++ boost给出了更实用的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等
• C++ TR1，引入了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。
• C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

8. 内存泄漏

8.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

• 什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存，一般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
• 内存泄漏的危害：普通程序运行⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不大，进程正常结束，页表的映射关系解除，物理内存也可以释放。长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务、长时间运行的客户端等等，不断出现内存泄漏会导致可用内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。

int main()
{
// 申请⼀个1G未释放，这个程序多次运⾏也没啥危害
// 因为程序⻢上就结束，进程结束各种资源也就回收了
char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];
cout << (void*)ptr << endl;
return 0;
}

8.2 如何检测内存泄漏

• linux下内存泄漏检测：linux下⼏款内存泄漏检测工具
• windows下第三方检测工具：windows下的内存泄露检测工具VLD使用 windows内存泄漏检测工具-CSDN博客

8.3 如何避免内存泄漏

• 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下⼀条智能指针来管理才有保证。
• 尽量使用智能指针来管理资源，如果自己场景比较特殊，采用RAII思想自己造个轮子管理。
• 定期使用内存泄漏工具检测，尤其是每次项目快上线前，不过有些工具不够靠谱，或者是收费。
• 总结⼀下：内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
  

后言

这就是C++智能指针的使用及其原理。大家自己好好消化！今天就分享到这！感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~

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