1.为什么需要智能指针
下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么问题?
#include <vector> void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp){ if (left >= right) return; int mid = left + ((right - left) >> 1); // [left, mid] // [mid+1, right] _MergeSort(a, left, mid, tmp); _MergeSort(a, mid + 1, right, tmp); int begin1 = left, end1 = mid; int begin2 = mid + 1, end2 = right; int index = left; while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2){ if (a[begin1] < a[begin2]) tmp[index++] = a[begin1++]; else tmp[index++] = a[begin2++]; } while (begin1 <= end1) tmp[index++] = a[begin1++]; while (begin2 <= end2) tmp[index++] = a[begin2++]; memcpy(a + left, tmp + left, sizeof(int)*(right - left + 1)); } void MergeSort(int* a, int n){ int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n); _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp); // 这里假设处理了一些其他逻辑 vector<int> v(1000000000, 10); // ... // free(tmp); } int main(){ int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 }; MergeSort(a, 5); return 0; }
问题分析:
- malloc出来的空间,没有进行是释放,存在内存泄漏问题
- 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常,那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安
全。
2智能指针的使用及原理
RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源(内存,文件句柄,互斥量等)的简单技术
在对象构造时获取资源,接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内保持始终有效,最后在对象西沟的时候释放资源。借此,我们实际上把管理一份资源的责任托管给一个对象,这样做有两个好处:
- 不需要显示地释放资源
- 采用这种方式,对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类 template<class T> class SmartPtr { public: SmartPtr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr) {} ~SmartPtr() { if(_ptr) delete _ptr; } private: T* _ptr; }; void MergeSort(int* a, int n) { int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n); // 讲tmp指针委托给了sp对象,用时老师的话说给tmp指针找了一个可怕的女朋友!天天管着你,直到你go //die^^ SmartPtr<int> sp(tmp); // _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp); // 这里假设处理了一些其他逻辑 vector<int> v(1000000000, 10); // ... } int main() { try { int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 }; MergeSort(a, 5); } catch(const exception& e) { cout<<e.what()<<endl; } return 0; }
2.2智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针,因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用,也可以通过->去访问所指空间中的内容,因此:AutoPtr模板类中还得需要将 、->重载下,才可让其像指针一样去使用。*
总结一下智能指针的原理:
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->,具有像指针一样的行为。
auto_ptr(C++98)
实现原理:管理权转移的思想,下面简化模拟实现一份AutoPtr来了解它的原理
#include <iostream> #include <memory> using namespace std; template<class T> class AutoPtr{ public: AutoPtr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) {} ~AutoPtr(){ if(_ptr) delete _ptr; } //一旦发生拷贝,将ap中资源转移到当前对象中,然后令ap与其所管理资源断开联系 //这样就解决了一块空间被多个对象使用造成的程序崩溃问题 AutoPtr(AutoPtr<T>& ap) :_ptr(ap._ptr) { ap._ptr = nullptr; } AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap){ //检测是否给自己辅值 if(this != &ap){ //释放当前对象的资源 if(_ptr) delete _ptr; //转移ap资源到当前对象中 _ptr = ap._ptr; ap._ptr = nullptr; } return *this; } T& operator*(){ return *_ptr; } T& operator->(){ return _ptr; } private: T* _ptr; }; class Date{ public: Date(){ cout << "Date()" << endl; } ~Date(){ cout << "~Date()" << endl; } public: int _year; int _month; int _day; }; int main(){ AutoPtr<Date> ap(new Date); //拷贝后把ap对象赋空了,导致ap对象悬空 //通过ap对象访问资源时就会报错 AutoPtr<Date> copy(ap); ap->_year = 2020; return 0; }
unique_ptr(C++11)
实现原理:简单粗暴的防拷贝,下面简化模拟实现一份UniquePtr来了解它的原理
template<class T> class UniquePtr{ public: UniquePtr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) {} ~UniquePtr(){ if(_ptr) delete _ptr; } T& operator*(){ return *_ptr; } T& operator->(){ return _ptr; } private: UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete; UniquePtr& operator=(UniquePtr<t> const &) = delete; T* _ptr; };
shared_ptr(C++11)
实现原理:通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间的共享资源
- shared_ptr在其内部,给每个资源都维护了着一份计数,用来记录该份资源被几个对象共享。
- 在对象被销毁时(也就是析构函数调用),就说明自己不使用该资源了,对象的引用计数减一。
- 如果引用计数是0,就说明自己是最后一个使用该资源的对象,必须释放该资源;
- 如果不是0,就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源,不能释放该资源,否则其他对象就成野指针了。
模拟实现一份简单地SharedPtr,了解原理
template<class T> class SharedPtr{ public: SharedPtr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) ,_pRefCount(new int(1)) ,_pMutex(new mutex) {} ~SharedPtr(){ Release(); } SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp) :_ptr(sq._ptr) ,_pRefCount(sq._pRerCount) ,_pMutex(sq._pMutex) { AddRefCount(); } //sp1 = sp2 SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp){ if(_ptr != sp._ptr){ //释放管理的就资源 Release(); //共享管理新对象的资源,增加引用计数 _ptr = sp._ptr; _pRefCount = sp._pRefCount; _pMutex = sp._pMutex; AddRefCount(); } return *this; } T& operator*(){ return *_ptr; } T& operator->(){ return _ptr; } int UseCount(){ retrun _pRefCount; } T* Get(){ return _ptr; } void AddRefCount(){ //加锁或者使用加一的原子操作 _pMutex->lock(); ++_pRefCount; _pMutex->unlock(); } private: void Release(){ bool deletefalg = false; //引用计数减一,如果为0,则释放资源 _pMutex.lock(); if(--(*_pRefCount) == 0){ delete _ptr; delete _pRefCount; deletefalg = true; } _pMutex.unlock(); if(deletefalg == true) delete _pMutex; } private: T* _ptr; //指向管理资源的指针 int* _pRefCount; //引用计数 mutex* _pMutex; //互斥锁 };
shared_ptr的线程安全问题
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面:
- 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的,两个线程中智能指针的引用计数同时++或-这个操作不是原子的,引用计数原来是1,++了两次,可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的,也就是说引用计数的操作是线程安全的。
- 智能指针管理的对象存放在堆上,两个线程中同时去访问,会导致线程安全问题。
shared_ptr的循环引用
struct ListNode { int _data; shared_ptr<ListNode> _prev; shared_ptr<ListNode> _next; ~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; } }; int main(){ shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode); shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode); cout << node1.use_count() << endl; cout << node2.use_count() << endl; node1->_next = node2; node2->_prev = node1; cout << node1.use_count() << endl; cout << node2.use_count() << endl; return 0; }
循环引用分析:
- node1和node2两个智能指针对象指向两个节点,引用计数变成1,我们不需要手动delete。
- node1的_next指向node2,node2的_prev指向node1,引用计数变成2。
- node1和node2析构,引用计数减到1,但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
- 也就是说_next析构了,node2就释放了。
- 也就是说_prev析构了,node1就释放了。
- 但是_next属于node的成员,node1释放了,_next才会析构,而node1由_prev管理,_prev属于node2成员,所以这就叫循环引用,谁也不会释放。
解决方案:在引用计数的场景下,把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
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