一文掌握 C++ 智能指针的使用

分手后的思念是犯贱 2022-08-29 00:06 62阅读 0赞

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链接 | https://changkun.de/modern-cpp/zh-cn/05-pointers/index.html

# RAII 与引用计数 #

了解 **Objective-C/Swift **的程序员应该知道引用计数的概念。引用计数这种计数是为了防止内存泄露而产生的。

基本想法是对于动态分配的对象，进行引用计数，每当增加一次对同一个对象的引用，那么引用对象的引用计数就会增加一次， 每删除一次引用，引用计数就会减一，当一个对象的引用计数减为零时，就自动删除指向的堆内存。

在传统C++中，**『记得』手动释放资源，总不是最佳实践。**因为我们很有可能就忘记了去释放资源而导致泄露。所以通常的做法是对于一个对象而言，我们在构造函数的时候申请空间，而在析构函数（在离开作用域时调用）的时候释放空间， 也就是我们常说的 RAII 资源获取即初始化技术。

凡事都有例外，我们总会有需要将对象在自由存储上分配的需求，在传统 C++ 里我们只好使用 new 和 delete 去 『记得』对资源进行释放。而 **C++11 引入了智能指针的概念，使用了引用计数的想法，让程序员不再需要关心手动释放内存**。

这些智能指针就包括 std::shared\_ptr std::unique\_ptr std::weak\_ptr，使用它们需要包含头文件**`<memory>`**。

注意：**引用计数不是垃圾回收，引用计数能够尽快收回不再被使用的对象，同时在回收的过程中也不会造成长时间的等待， 更能够清晰明确的表明资源的生命周期。**

## **std::shared\_ptr** ##

**std::shared\_ptr** 是一种智能指针，它能够记录多少个 shared\_ptr 共同指向一个对象，从而消除显式的调用 delete，当引用计数变为零的时候就会将对象自动删除。

但还不够，因为使用 std::shared\_ptr 仍然需要使用 new 来调用，这使得代码出现了某种程度上的不对称。

**std::make\_shared** 就能够用来消除显式的使用 new，所以 std::make\_shared 会分配创建传入参数中的对象， 并返回这个对象类型的 std::shared\_ptr 指针。例如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><pre><code>#include &lt;iostream&gt;
#include &lt;memory&gt;
void foo(std::shared_ptr&lt;int&gt; i)
{
    (*i)++;
}
int main()
{
    // auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment
    // Constructed a std::shared_ptr
    auto pointer = std::make_shared&lt;int&gt;(10);
    foo(pointer);
    std::cout &lt;&lt; *pointer &lt;&lt; std::endl; // 11
    // The shared_ptr will be destructed before leaving the scope
    return 0;
}
</code></pre></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**std::shared\_ptr 可以通过 get() 方法来获取原始指针**，通过 reset() 来减少一个引用计数， 并通过 use\_count() 来查看一个对象的引用计数。例如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><pre><code>auto pointer = std::make_shared&lt;int&gt;(10);
auto pointer2 = pointer; // 引用计数+1
auto pointer3 = pointer; // 引用计数+1
int *p = pointer.get(); // 这样不会增加引用计数
std::cout &lt;&lt; "pointer.use_count() = " &lt;&lt; pointer.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 3
std::cout &lt;&lt; "pointer2.use_count() = " &lt;&lt; pointer2.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 3
std::cout &lt;&lt; "pointer3.use_count() = " &lt;&lt; pointer3.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 3

pointer2.reset();
std::cout &lt;&lt; "reset pointer2:" &lt;&lt; std::endl;
std::cout &lt;&lt; "pointer.use_count() = " &lt;&lt; pointer.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 2
std::cout &lt;&lt; "pointer2.use_count() = " &lt;&lt; pointer2.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 0, pointer2 已 reset
std::cout &lt;&lt; "pointer3.use_count() = " &lt;&lt; pointer3.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 2
pointer3.reset();
std::cout &lt;&lt; "reset pointer3:" &lt;&lt; std::endl;
std::cout &lt;&lt; "pointer.use_count() = " &lt;&lt; pointer.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 1
std::cout &lt;&lt; "pointer2.use_count() = " &lt;&lt; pointer2.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 0
std::cout &lt;&lt; "pointer3.use_count() = " &lt;&lt; pointer3.use_count() &lt;&lt; std::endl; // 0, pointer3 已 reset
</code></pre></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##     ##

## **std::unique\_ptr** ##

**std::unique\_ptr** 是一种独占的智能指针，它禁止其他智能指针与其共享同一个对象，从而保证代码的安全：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><pre><code>std::unique_ptr&lt;int&gt; pointer = std::make_unique&lt;int&gt;(10); // make_unique 从 C++14 引入
std::unique_ptr&lt;int&gt; pointer2 = pointer; // 非法
</code></pre></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

make\_unique 并不复杂，C++11 没有提供 std::make\_unique，可以自行实现：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><pre><code>template&lt;typename T, typename ...Args&gt;
std::unique_ptr&lt;T&gt; make_unique( Args&amp;&amp; ...args ) {
  return std::unique_ptr&lt;T&gt;( new T( std::forward&lt;Args&gt;(args)... ) );
}
</code></pre></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**至于为什么没有提供，C++ 标准委员会主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因为『被他们忘记了』。**

既然是独占，换句话说就是不可复制。但是，我们可以利用 std::move 将其转移给其他的 unique\_ptr，例如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><pre><code>#include &lt;iostream&gt;
#include &lt;memory&gt;

struct Foo {
    Foo() { std::cout &lt;&lt; "Foo::Foo" &lt;&lt; std::endl; }
    ~Foo() { std::cout &lt;&lt; "Foo::~Foo" &lt;&lt; std::endl; }
    void foo() { std::cout &lt;&lt; "Foo::foo" &lt;&lt; std::endl; }
};

void f(const Foo &amp;) {
    std::cout &lt;&lt; "f(const Foo&amp;)" &lt;&lt; std::endl;
}

int main() {
    std::unique_ptr&lt;Foo&gt; p1(std::make_unique&lt;Foo&gt;());
    // p1 不空, 输出
    if (p1) p1-&gt;foo();
    {
        std::unique_ptr&lt;Foo&gt; p2(std::move(p1));
        // p2 不空, 输出
        f(*p2);
        // p2 不空, 输出
        if(p2) p2-&gt;foo();
        // p1 为空, 无输出
        if(p1) p1-&gt;foo();
        p1 = std::move(p2);
        // p2 为空, 无输出
        if(p2) p2-&gt;foo();
        std::cout &lt;&lt; "p2 被销毁" &lt;&lt; std::endl;
    }
    // p1 不空, 输出
    if (p1) p1-&gt;foo();
    // Foo 的实例会在离开作用域时被销毁
}
</code></pre></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##     ##

## **std::weak\_ptr** ##

如果你仔细思考 **std::shared\_ptr** 就会发现依然存在着资源无法释放的问题。看下面这个例子：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><pre><code>struct A;
struct B;

struct A {
    std::shared_ptr&lt;B&gt; pointer;
    ~A() {
        std::cout &lt;&lt; "A 被销毁" &lt;&lt; std::endl;
    }
};
struct B {
    std::shared_ptr&lt;A&gt; pointer;
    ~B() {
        std::cout &lt;&lt; "B 被销毁" &lt;&lt; std::endl;
    }
};
int main() {
    auto a = std::make_shared&lt;A&gt;();
    auto b = std::make_shared&lt;B&gt;();
    a-&gt;pointer = b;
    b-&gt;pointer = a;
}
</code></pre></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

运行结果是 A, B 都不会被销毁，这是因为 a,b 内部的 pointer 同时又引用了 a,b，这使得 a,b 的引用计数均变为了 2，而离开作用域时，a,b 智能指针被析构，却只能造成这块区域的引用计数减一。

**这样就导致了 a,b 对象指向的内存区域引用计数不为零，而外部已经没有办法找到这块区域了，也就造成了内存泄露**，如图 1：

![1a73191c0466e7bc24db834e02d3e8d8.png][]

图 1

解决这个问题的办法就是**使用弱引用指针 std::weak\_ptr**，std::weak\_ptr是一种弱引用（相比较而言 std::shared\_ptr 就是一种强引用）。

弱引用不会引起引用计数增加，当换用弱引用时候，最终的释放流程如图 2 所示：

![7c133a96015d0a93f83fdee869dcb8f9.png][]

图 2

在上图中，最后一步只剩下 B，而 B 并没有任何智能指针引用它，因此这块内存资源也会被释放。

**std::weak\_ptr** 没有 \* 运算符和 -> 运算符，所以不能够对资源进行操作，它的唯一作用就是用于检查 std::shared\_ptr 是否存在，其 expired() 方法能在资源未被释放时，会返回 false，否则返回 true。

## **总结** ##

智能指针这种技术并不新奇，在很多语言中都是一种常见的技术，现代 C++ 将这项技术引进，在一定程度上消除了 **new/delete** 的滥用，是一种更加成熟的编程范式。

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