C++11智能指针的具体使用方法

发布时间:2021-08-24 15:15:08 作者:chen
来源:亿速云 阅读:294

本篇内容介绍了“C++11智能指针的具体使用方法”的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!

目录

智能指针的原理

RAII

RAII(Resource Acquisition Is Initialization)是一种利用对象生命周期来控制程序资源(如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等)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始终保持有效,最后在对象析构的时候释放资源。 借此,我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处:

我们使用RAII的思想设计SmartPtr类:

template <class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

    ~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}

private:
	T* _ptr;
};

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:SmartPtr模板类中还得需要将* 、->重载下,才可让其像指针一样去使用。

template <class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

    ~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}

private:
	T* _ptr;
};

智能指针使用:

C++11智能指针的具体使用方法

总结智能指针的原理:

auto_ptr

1.auto_ptr的使用及问题

auto_ptr的头文件#include<memory>

auto_ptr的使用:

C++11智能指针的具体使用方法

C++11智能指针的具体使用方法

为什么此时访问sp的成员时会报错呢?我们来看看它们的地址。

C++11智能指针的具体使用方法

我们发现在拷贝构造之后,sp管理的地址为空,而sp1管理的地址是之前sp所管理的地址,管理权发生了转移。那么上面所说的报错也很容易想通,因为sp管理的地址为空,不能进行访问。

auto_ptr的问题:当对象拷贝或者赋值后,管理权进行转移,造成前面的对象悬空。auto_ptr问题是非常明显的,所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr。

auto_ptr的实现原理:管理权转移的思想,下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理:

template<class T>
class AutoPtr
{
public:
	AutoPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	//拷贝:管理权转移
	AutoPtr(AutoPtr<T> &sp)
		:_ptr(sp._ptr)
	{
		sp._ptr = nullptr;
	}

	//赋值:管理权转移
	AutoPtr& operator=(AutoPtr<T> &sp)
	{
		if (this != &sp)
		{
			if (_ptr)
				delete _ptr;
			_ptr = sp._ptr;
			sp._ptr = nullptr;
		}
		return *this;
	}

	~AutoPtr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

unique_ptr

为了解决拷贝或者赋值时管理权转移的问题,出现了unique_ptr。

unique_ptr解决问题的方式非常粗暴:防拷贝,也就是不让赋值和拷贝

unique_ptr的使用:

C++11智能指针的具体使用方法

unique_ptr的实现原理:简单粗暴的防拷贝,下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理:

template<class T>
class UniquePtr
{
public:

	UniquePtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	// C++11防拷贝的方式:delete
	UniquePtr(const UniquePtr<T> &) = delete;

	UniquePtr& operator=(const UniquePtr<T>&) = delete;

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	~UniquePtr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}

private:

	//C++98防拷贝的方式:只声明不实现+声明成私有
	//UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
	//UniquePtr& operator=(UniquePtr<T> const &);

	T* _ptr;
};

shared_ptr

c++11中提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

shared_ptr的使用

C++11智能指针的具体使用方法

shared_ptr中拷贝与赋值都是没有问题的。

shared_ptr的原理

shared_ptr中成员函数:use_count(对象数据的引用计数)

示例:

C++11智能指针的具体使用方法

示例详解:

C++11智能指针的具体使用方法

利用引用计数简单的实现SharedPtr,了解原理:

template<class T>
class SharedPtr
{
public:
	SharedPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
		,_count(new int(1))
	{}

	SharedPtr(const SharedPtr<T> &sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		,_count(sp._count)
	{
		//计数器累加
		++(*_count);
	}

	SharedPtr& operator=(const SharedPtr<T> &sp)
	{
		//判断管理的是否是同一份资源
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			//计数-1,判断之前管理的资源是否需要释放
			if ((--(*_count)) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _count;
			}
			
			_ptr = sp._ptr;
			_count = sp._count;

			//计数器累加
			++(*_count);
		}
		return *this;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	~SharedPtr()
	{
		if (--(*_count) == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _count;
			_ptr = nullptr;
			_count = nullptr;
		}
	}

private:
	T* _ptr;
	int* _count;//给每份资源开辟一个计数器
};

但是还存在一个线程安全的问题:

  1. 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。

  2. 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。

这里我们通过加锁来解决线程安全问题:

template<class T>
class SharedPtr
{
public:
	SharedPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
		,_count(new int(1))
		,_mutex(new mutex)
	{}

	SharedPtr(const SharedPtr<T> &sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		,_count(sp._count)
		,_mutex(sp._mutex)
	{
		//计数器累加
		AddCount();
	}

	SharedPtr& operator=(const SharedPtr<T> &sp)
	{
		//判断管理的是否是同一份资源
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			//计数-1,判断之前管理的资源是否需要释放
			if (SubCount() == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _count;
				delete _mutex;
			}
			
			_ptr = sp._ptr;
			_count = sp._count;
			_mutex = sp._mutex;

				//计数器累加
			AddCount();
		}
		return *this;
	}

	//线程安全的累加器
	int AddCount()
	{
		//加锁
		_mutex->lock();
		++(*_count);
		_mutex->unlock();
		return *_count;
	}

	int SubCount()
	{
		_mutex->lock();
		--(*_count);
		_mutex->unlock();
		return *_count;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	~SharedPtr()
	{
		if (SubCount() == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _count;
			delete _mutex;
			_ptr = nullptr;
			_count = nullptr;
			_mutex = nullptr;
		}
	}
	
private:
	T* _ptr;
	int* _count;//给每份资源开辟一个计数器
	mutex* _mutex; //每一份资源有一个独立的锁
};

shared_ptr的循环引用

循环引用的场景:

struct ListNode
{
	int _data; 
    shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};

void test()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
}

C++11智能指针的具体使用方法

node1和node2两个智能指针对象指向两个节点,两个节点的引用计数都是1。node1->next指向node2,node2->prev指向node1,两个节点的引用计数都变成2。程序运行完之后,析构node1和node2,node1和node2所指向的节点引用计数分别减1,但是node1->next指向下面节点,node2->prev指向上面节点,此时,两个节点的引用计数都为1,所以两个节点不能析构。

引用计数为0时,如果要析构node1节点,就先要去析构node1中的自定义结构,然后再析构node1。也就是说node1->next析构了,node2就释放了;node2->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
原理就是,node1->_next = node2和node2->_prev = node1时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数

weak_ptr最大作用就是解决shared_ptr的循环引用

struct ListNode
{
	int _data; 
    weak_ptr<ListNode> _prev;
	weak_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
void test()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
}

注意:
weak_ptr不能单独使用,可以用shared_ptr创建

	//weak_ptr错误使用
	weak_ptr<ListNode> node1(new ListNode);

	//weak_ptr正确使用
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	weak_ptr<ListNode> node3(node2);

“C++11智能指针的具体使用方法”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注亿速云网站,小编将为大家输出更多高质量的实用文章!

推荐阅读:
  1. C++11智能指针和引用
  2. 详解C++11智能指针中的shared_ptr

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