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一文掌握C++智能指針的使用

[[422939]]

 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。

為東山等地區(qū)用戶提供了全套網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)制作服務(wù)，及東山網(wǎng)站建設(shè)行業(yè)解決方案。主營(yíng)業(yè)務(wù)為網(wǎng)站設(shè)計(jì)、成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、東山網(wǎng)站設(shè)計(jì)，以傳統(tǒng)方式定制建設(shè)網(wǎng)站，并提供域名空間備案等一條龍服務(wù)，秉承以專業(yè)、用心的態(tài)度為用戶提供真誠(chéng)的服務(wù)。我們深信只要達(dá)到每一位用戶的要求，就會(huì)得到認(rèn)可，從而選擇與我們長(zhǎng)期合作。這樣，我們也可以走得更遠(yuǎn)！

基本想法是對(duì)于動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象，進(jìn)行引用計(jì)數(shù)，每當(dāng)增加一次對(duì)同一個(gè)對(duì)象的引用，那么引用對(duì)象的引用計(jì)數(shù)就會(huì)增加一次， 每刪除一次引用，引用計(jì)數(shù)就會(huì)減一，當(dāng)一個(gè)對(duì)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(duì)于一個(gè)對(duì)象而言，我們?cè)跇?gòu)造函數(shù)的時(shí)候申請(qǐng)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(huì)有需要將對(duì)象在自由存儲(chǔ)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(duì)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。

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(duì)象，同時(shí)在回收的過程中也不會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間的等待， 更能夠清晰明確的表明資源的生命周期。

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(duì)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(huì)將對(duì)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(duì)稱。

std::make_shared 就能夠用來消除顯式的使用 new，所以 std::make_shared 會(huì)分配創(chuàng)建傳入?yún)?shù)中的對(duì)象， 并返回這個(gè)對(duì)象類型的 std::shared_ptr 指針。例如： 

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. #include   
    2. 
  
  
  
  
  2. #include   
    3. 
  
  
  
  
  3. void foo(std::shared_ptr i)  
    4. 
  
  
  
  
  4. {  
    5. 
  
  
  
  
  5.     (*i)++;  
    6. 
  
  
  
  
  6. }  
    7. 
  
  
  
  
  7. int main()  
    8. 
  
  
  
  
  8. {  
    9. 
  
  
  
  
  9.     // auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment  
    10. 
  
  
  
  
  10.     // Constructed a std::shared_ptr  
    11. 
  
  
  
  
  11.     auto pointer = std::make_shared(10);  
    12. 
  
  
  
  
  12.     foo(pointer);  
    13. 
  
  
  
  
  13.     std::cout << *pointer << std::endl; // 11  
    14. 
  
  
  
  
  14.     // The shared_ptr will be destructed before leaving the scope  
    15. 
  
  
  
  
  15.     return 0;  
    16. 
  
  
  
  
  16. } 
    17.

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(duì)象的引用計(jì)數(shù)。例如： 

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. auto pointer = std::make_shared(10);  
    2. 
  
  
  
  
  2. auto pointerpointer2 = pointer; // 引用計(jì)數(shù)+1  
    3. 
  
  
  
  
  3. auto pointerpointer3 = pointer; // 引用計(jì)數(shù)+1  
    4. 
  
  
  
  
  4. int *p = pointer.get(); // 這樣不會(huì)增加引用計(jì)數(shù)  
    5. 
  
  
  
  
  5. std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3  
    6. 
  
  
  
  
  6. std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3  
    7. 
  
  
  
  
  7. std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3  
    8. 
  
  
  
  
  8. pointer2.reset();  
    9. 
  
  
  
  
  9. std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;  
    10. 
  
  
  
  
  10. std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2  
    11. 
  
  
  
  
  11. std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 reset  
    12. 
  
  
  
  
  12. std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2  
    13. 
  
  
  
  
  13. pointer3.reset();  
    14. 
  
  
  
  
  14. std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;  
    15. 
  
  
  
  
  15. std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1  
    16. 
  
  
  
  
  16. std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0  
    17. 
  
  
  
  
  17. std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset 
    18.

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(duì)象，從而保證代碼的安全： 

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. std::unique_ptr pointer = std::make_unique(10); // make_unique 從 C++14 引入  
    2. 
  
  
  
  
  2. std::unique_ptr pointerpointer2 = pointer; // 非法 
    3.

make_unique 并不復(fù)雜，C++11 沒有提供 std::make_unique，可以自行實(shí)現(xiàn)： 

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. template  
    2. 
  
  
  
  
  2. std::unique_ptr make_unique( Args&& ...args ) {  
    3. 
  
  
  
  
  3.   return std::unique_ptr( new T( std::forward(args)... ) );  
    4. 
  
  
  
  
  4. } 
    5.

至于為什么沒有提供，C++ 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)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： 

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. #include   
    2. 
  
  
  
  
  2. #include   
    3. 
  
  
  
  
  3. struct Foo {  
    4. 
  
  
  
  
  4.     Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; }  
    5. 
  
  
  
  
  5.     ~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }  
    6. 
  
  
  
  
  6.     void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; }  
    7. 
  
  
  
  
  7. };  
    8. 
  
  
  
  
  8. void f(const Foo &) {  
    9. 
  
  
  
  
  9.     std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;  
    10. 
  
  
  
  
  10. }  
    11. 
  
  
  
  
  11. int main() {  
    12. 
  
  
  
  
  12.     std::unique_ptr p1(std::make_unique());  
    13. 
  
  
  
  
  13.     // p1 不空, 輸出  
    14. 
  
  
  
  
  14.     if (p1) p1->foo();  
    15. 
  
  
  
  
  15.     {  
    16. 
  
  
  
  
  16.         std::unique_ptr p2(std::move(p1));  
    17. 
  
  
  
  
  17.         // p2 不空, 輸出  
    18. 
  
  
  
  
  18.         f(*p2);  
    19. 
  
  
  
  
  19.         // p2 不空, 輸出  
    20. 
  
  
  
  
  20.         if(p2) p2->foo();  
    21. 
  
  
  
  
  21.         // p1 為空, 無輸出  
    22. 
  
  
  
  
  22.         if(p1) p1->foo();  
    23. 
  
  
  
  
  23.         p1 = std::move(p2);  
    24. 
  
  
  
  
  24.         // p2 為空, 無輸出  
    25. 
  
  
  
  
  25.         if(p2) p2->foo();  
    26. 
  
  
  
  
  26.         std::cout << "p2 被銷毀" << std::endl;  
    27. 
  
  
  
  
  27.     }  
    28. 
  
  
  
  
  28.     // p1 不空, 輸出  
    29. 
  
  
  
  
  29.     if (p1) p1->foo();  
    30. 
  
  
  
  
  30.     // Foo 的實(shí)例會(huì)在離開作用域時(shí)被銷毀  
    31. 
  
  
  
  
  31. } 
    32.

std::weak_ptr

如果你仔細(xì)思考 std::shared_ptr 就會(huì)發(fā)現(xiàn)依然存在著資源無法釋放的問題?？聪旅孢@個(gè)例子： 

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. struct A;  
    2. 
  
  
  
  
  2. struct B;  
    3. 
  
  
  
  
  3. struct A {  
    4. 
  
  
  
  
  4.     std::shared_ptr pointer;  
    5. 
  
  
  
  
  5.     ~A() {  
    6. 
  
  
  
  
  6.         std::cout << "A 被銷毀" << std::endl;  
    7. 
  
  
  
  
  7.     }  
    8. 
  
  
  
  
  8. };  
    9. 
  
  
  
  
  9. struct B {  
    10. 
  
  
  
  
  10.     std::shared_ptr pointer;  
    11. 
  
  
  
  
  11.     ~B() {  
    12. 
  
  
  
  
  12.         std::cout << "B 被銷毀" << std::endl;  
    13. 
  
  
  
  
  13.     }  
    14. 
  
  
  
  
  14. };  
    15. 
  
  
  
  
  15. int main() {  
    16. 
  
  
  
  
  16.     auto a = std::make_shared();  
    17. 
  
  
  
  
  17.     auto b = std::make_shared();  
    18. 
  
  
  
  
  18.     a->pointer = b;  
    19. 
  
  
  
  
  19.     b->pointer = a;  
    20. 
  
  
  
  
  20. } 
    21.

運(yùn)行結(jié)果是 A, B 都不會(huì)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?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(duì)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：

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(huì)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：

圖 2

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(huì)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(huì)返回 false，否則返回 true。

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。


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