本文主要翻译自
http://www.codeproject.com/Articles/541067/Cplusplus-Smart-Pointers
1. 传统指针存在的问题
传统指针存在诸多的问题,比如指针所指向的对象的生命周期问题,挂起引用(dangling references),以及内存泄露(memory leaks).
如下是一个传统指针的使用过程
void Foo() {
int *iPtr = new int[5];
// manipulate the memory block
// ...
// ...
// ...
delete[] iPtr;
}
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以上代码将正常运行且内存将被合理释放,但是使用指针常会发生一些意想不到的事情,比如访问一个非法的内存单元,除0操作,以及根据一些判断条件处理的返回return 语句。
2. 什么是智能指针(Smart Pointer)
智能指针是RAII(Resource Acquisition is initialization)用来动态的分配内存。它提供了普通指针的所有接口外加少数异常处理。在构造阶段,它将分配内存,而在非其作用域内将自动释放所占有的内存。
在C++98中,使用 auto_ptr
来解决上述问题。
2.1 auto_ptr
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class Test {
public:
Test(int a = 0) : m_a(a) {}
~Test() {
cout << "Calling destructor" << endl;
}
public:
int m_a;
};
int main()
{
auto_ptr<Test> p(new Test(5));
cout << p->m_a << endl;
return 0;
}
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输出结果:
上述代码将智能的释放相关的内存。
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class Test {
public:
Test(int a = 0) : m_a(a) {}
~Test() {
cout << "Calling destructor" << endl;
}
public:
int m_a;
};
void Fun()
{
int a = 0, b = 5, c;
if(a == 0) {
throw "Invalid divisor";
}
c = b / a;
return;
}
int main()
{
try {
auto_ptr<Test> p(new Test(5));
Fun();
cout << p->m_a << endl;
}
catch(...) {
cout << "Something has gone wrong" << endl;
}
return 0;
}
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在上述代码中,即使异常抛出,指针照样被正常释放。这是因为当异常抛出时,栈松绑(stack unwinding)。 当所有属于try block
的本地对象被销毁时,指针p
不在作用域中而被释放。
问题1.
至少从目前来说auto_ptr
是智能的。但是它有一个非常本质的缺点:auto_ptr
会传递它本身的ownership当其被赋值给另一个auto_ptr
对象。正如下述程序所示,一个auto_ptr
对象传递给函数Fun()
中的auto_ptr
对象时,其ownership,或者说是smartness将不再返回给原auto_ptr
所指向的p。
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class Test {
public:
Test(int a = 0) : m_a(a) {}
~Test() {
cout << "Calling destructor" << endl;
}
public:
int m_a;
};
void Fun(auto_ptr<Test> p1)
{
cout << p1->m_a << endl;
cout << "Fun() end" << endl;
}
int main()
{
auto_ptr<Test> p(new Test(5));
Fun(p);
cout << p->m_a << endl;
return 0;
}
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运行结果:
以上程序将crash因为存在野指针auto_ptr
。上述代码奔溃的主要原因是,原先的p
占有对其自身分配内存的管理权。然而通过Fun()
函数将其管理权转给p1
,此时因为p1
的smartness,在其结束时将释放其所指向的内存块。而此时原先的p
将再拥有任何内存,而导致在访问时出现了空指针,野指针的引用问题。
问题2.
auto_ptr
不能使用于数组对象。 这里的意思是不能使用于操作符new[]
。
int main()
{
auto_ptr<Test> p(new Test[5]);
return 0;
}
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上述代码将runtime error。因为对于auto_ptr
而言,其调用的是delete
而非delete []
。
问题3.
auto_ptr
不能使用于一些标准的容器库。比如vector
,list
,map
等等。
C++11提出了新型的智能指针,并且都赋予了其相应的意图。
2.2 shared_ptr
creation :
shared_ptr设计的目的很简单:多个共享指针可以指向同一个对象,而当最后一个共享指针在作用域范围内结束时,内存才会被自动的释放。
int main()
{
// share_ptr 常规的创建过程
shared_ptr<int> sptr1( new int );
// 使用make_shared 来加速创建过程
// shared_ptr 自动分配内存,并且保证引用计数
// 而make_shared则是按照这种方法来初始化
shared_ptr<int> sptr2 = make_shared<int>( 100 );
// 可以通过use_count() 来查看引用计数
cout << "sptr2 referenced count: " << sptr2.use_count() << endl;
shared_ptr<int> sptr3 = sptr2;
cout << "sptr2 referenced count: " << sptr2.use_count() << endl;
cout << "*sptr2 = " << *sptr2 << endl;
return 0;
}
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上述代码创建了一个shared_ptr
指针指向了一个装着整型值且值为100的内存块,并且引用计数为1,。当其他共享指针通过sptr1
来创建时,引用计数将为2。这种引用称为强引用strong reference
。除此之外,还有弱引用weak reference
。可以通过
destruction :
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class Test {
public:
Test(int a = 0) : m_a(a) {}
~Test() {
cout << "Calling destructor" << endl;
}
public:
int m_a;
};
int main()
{
// 如果用以下形式,则只会调用delete,则不会调用
// delete[ ]; 此时只会调用一次析构函数
shared_ptr<Test> sptr1(new Test[5]);
// 采用以下形式,lambda表达式,显示调用
// delete[] 来删除所有的对象。
shared_ptr<Test> sptr2(new Test[5],
[](Test* p) {delete[] p;});
return 0;
}
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用户可以显式的调用函数,lambda表达式,函数对象来调用对于shared_ptr
为数组对象的析构函数delete[]
。
Interface(接口)
shared_ptr
提供解引用*
, 以及->
来普通指针的相关操作。同时,还提供了以下的接口:
get()
: To get the resource associated with theshared_ptr
.reset()
: To yield the ownership of the associated memory block. If this is the lastshared_ptr
owning the resource, then the resource is released automatically.unique
: To know whether the resource is managed by only thisshared_ptr
instance.operator bool
: To check whether theshared_ptr
owns a memory block or not. Can be used with anif
condition.
Issue(问题)
-
当一个内存块与
shared_ptr
绑定相关,并且属于不同组时,将会发生错误。所有的shared_ptr
共享一个组的同一个共享引用。int main() { shared_ptr<int> sptr1(new int); shared_ptr<int> sptr2 = sptr1; shared_ptr<int> sptr3; sptr3 = sptr2; return 0; }
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以下表格给出了相应的引用计数
以上代码运行正常。
然而当使用以下代码时:int main() { int *p = new int; shared_ptr<int> sptr1(p); shared_ptr<int> sptr2(p); return 0; }
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引用计数表如下:
为了避免这种情况的发生,最好不用从裸指针中建立共享指针。 -
另一个问题是,正如上述问题,如果从一个裸指针中创建一个共享指针,只有一个共享指针时,可以正常运行,但是当裸指针被释放时,共享指针也会crash。
- 循环引用时,如果资源被非恰当释放,也会出现问题。
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;
class A
{
public:
A() : m_sptrB(nullptr) {} ;
~A() {
cout << "A is destroyed" << endl;
}
shared_ptr<B> m_sptrB;
};
class B
{
public:
B() : m_sptrA(nullptr) {};
~B() {
cout << "B is destroyed" << endl;
}
shared_ptr<A> m_sptrA;
};
int main()
{
shared_ptr<B> sptrB(new B);
shared_ptr<A> sptrA(new A);
sptrB->m_sptrA = sptrA;
sptrA->m_sptrB = sptrB;
return 0;
}
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当类A包含了指向B的共享指针,而类B包含了指向A的共享指针时,sptrA
和sptrB
相关的资源都将不会被释放。结果如下图:
2.3 weak_ptr
一个弱指针,提供的是一种共享语义定义而不是拥有语义定义。这就意味着一个弱指针可以通过shared_ptr
共享资源。所以要创建弱指针,必须是已经拥有资源但是是一个共享指针。
一个弱指针并不允许诸如普通指针所提供的*
和->
。因为他并不是资源的拥有者。
那么如何利用弱指针呢?
**weak_ptr只能用于跟踪一个共享的资源,但并不实际拥有,也不会阻碍资源的释放。读取共享资源前需要先执行lock,得到shared_ptr后才能进行访问。
当两个对象需要互相引用时,我们总希望其中一个对象拥有另一个对象的强引用,而另一个对象拥有自己的弱引用,如果两个对象都是强引用,则容易引起循环引用,导致两个对象都无法正确释放。
**
用weak_ptr
作为一个类似share_ptr
但却能悬浮的指针
有一个矛盾,一个灵巧指针可以像shared_ptr
一样方便,但又不参与管理被指对象的所有权。换句话说,需要一个像shared_ptr
但又不影响对象引用计数的指针。这类指针会有一个shared_ptr
没有的问题:被指的对象有可能已经被销毁。一个良好的灵巧指针应该能处理这种情况,通过跟踪什么时候指针会悬浮,比如在被指对象不复存在的时候。这正是weak_ptr
这类型灵巧指针所能做到的。
weak_ptr
一般是通过shared_ptr
来构造的。当使用shared_ptr
来初始化weak_ptr
时,weak_ptr
就指向了相同的地方,但是不改变所指对象的引用计数。
int main()
{
shared_ptr<A> sptr<new A>
weak_ptr<A> wptr(sptr);
weak_ptr<A> wptr1 = wptr;
return 0;
}
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从上图可以看书,通过将一个weak_ptr
赋值给另一个时会增加其弱引用计数。
如果弱引用指针所指向的资源,被其共享指针所释放时,这时候弱指针将会过期。如何检测一个弱指针是否指向一个合法的资源呢?有以下两种途径。
- 调用
use_count()
来得到引用计数。注意这里返回的是强引用计数。 - 调用
expired()
函数,这比调用use_count
要快的多。
同时,我们可以通过对一个weak_ptr
调用函数lock()
来得到一个shared_ptr
。或者直接对一个weak_ptr
进行强制转换。
int main()
{
shared_ptr<A> sptr<new A>
weak_ptr<A> wptr(sptr);
shared_ptr<A> sptr2 = wptr.lock();
shared_ptr<B> sptrB(new B);
shared_ptr<A> sptrA(new A);
sptrB->m_sptrA = sptrA;
sptrA->m_sptrB = sptrB;
return 0;
}
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如上方法将增加强引用计数。
以下例子将展示如何使用weak_ptr
解决循环引用的问题。
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;
class A
{
public:
A() : m_a(5) {} ;
~A() {
cout << "A is destroyed" << endl;
}
void PrintSpB() ;
weak_ptr<B> m_sptrB;
int m_a;
};
class B {
public:
B() : m_b(10) {} ;
~B() {
cout << "B is destroyed" << endl;
}
weak_ptr<A> m_sptrA;
int m_b;
};
void A::PrintSpB()
{
if( !m_sptrB.expired() )
cout << m_sptrB.lock()->m_b << endl;
}
int main()
{
shared_ptr<B> sptrB(new B);
shared_ptr<A> sptrA(new A);
sptrB->m_sptrA = sptrA;
sptrA->m_sptrB = sptrB;
sptrA->PrintSpB();
return 0;
}
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2.4 unique_ptr
unique_ptr
几乎是易出错的auto_ptr
的另一种形式。unique_ptr
遵循专用所有权语义。在任何时刻,资源只被唯一的一个unique_ptr
所占有。当auto_ptr
不在作用域范围内时,资源就会被释放。当一个资源被其他资源重写时,如果先前的资源已经被释放,这保证了相关的资源也会被释放。
creation(创建)
unique_ptr
创建的过程和shared_ptr
创建的过程大同小异,所不同的是创建的数组形式的对象。
unique_ptr<int> uptr(new int);
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unique_ptr
提供了专用创建数组对象的析构调用delete[]
而不是delete
当其不在作用域范围内。
unique_ptr<int[]> uptr1(new int[5]);
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对于资源的拥有权(ownership)可以从一个unique_ptr
通过另一个进行赋值来传递。
需要记住的是:unique_ptr
并不提供复制机制copy semantics
(包括复制赋值copy assignment
以及复制构造函数copy construction
)而是一种移动机制。
Interface(接口)
unique_ptr
提供的接口与普通常规指针的接口非常相似,但是并不提供指针运算。 unique_ptr
提供release()
函数来进行yield the ownership
。release()
和reset()
函数的区别在于,reset()
会对资源进行销毁。
参考文献:
http://blog.csdn.net/coolmeme/article/details/43266319
http://www.codeproject.com/Articles/541067/Cplusplus-Smart-Pointers
原文地址:http://blog.csdn.net/zone_programming/article/details/47000647