c++中的四种智能指针

- 日理万妓 2023-02-23 15:25 4阅读 0赞

**原始指针**：通过new建立的\*指针

**智能指针**：通过智能指针关键字（unique\_ptr, shared\_ptr ，weak\_ptr）建立的指针

**智能引出的目的是为了解决c++中内存空间管理的问题**：

1、申请的空间在函数结束时忘记释放，造成内存泄漏；

2、尚有指针引用内存的情况下就释放了它，就会产生引用非法内存的指针。

使用智能指针可以很大程度上的避免这个问题，因为智能指针是一个类，当超出了类的作用域时，类会自动调用析构函数，析构函数会自动释放资源。所以智**能指针的作用原理就是在函数结束时自动释放内存空间，不需要手动释放内存空间**。

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**普通指针存在的问题：**

auto_ptr<string> p1 (new string ("I reigned lonely as a cloud.")); 
    auto_ptr<string> p2; 
    p2 = p1; //auto_ptr不会报错

如果p1和p2是普通指针，那么两个指针将指向同一个string对象。那么在删除同一个对象两次的时候，会出错。要避免这种问题，方法有多种：  
（1）定义陚值运算符，使之执行深复制。这样两个指针将指向不同的对象，其中的一个对象是另一个对象的副本，缺点是浪费空间，所以智能指针都未采用此方案。  
（2）建立所有权（ownership）概念。对于特定的对象，只能有一个智能指针可拥有，这样只有拥有对象的智能指针的析构函数会删除该对象。然后让赋值操作转让所有权。这就是用于 auto\_ptr 和 unique\_ptr 的策略，但 unique\_ptr 的策略更严格。  
（3）创建智能更高的指针，跟踪引用特定对象的智能指针数。这称为引用计数。例如，赋值时，计数将加 1，而指针过期时，计数将减 1,。当减为 0 时才调用 delete。这是 shared\_ptr 采用的策略。

>>auto\_ptr

auto_ptr<string> p1 (new string ("I reigned lonely as a cloud.")); 
    auto_ptr<string> p2; 
    p2 = p1; //auto_ptr不会报错

auto\_ptr定义在头文件中。采用所有权模式。  
此时不会报错，p2剥夺了p1的所有权，但是当程序运行时访问p1将会报错。所以auto\_ptr的缺点是：存在潜在的内存崩溃问题！

#include <iostream>
    #include <string>
    #include <memory>
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
        auto_ptr<string> films[5] = { 
        auto_ptr<string>(new string("Fowl Balls")),
        auto_ptr<string>(new string("Duck Walks")),
        auto_ptr<string>(new string("Chicken Runs")),
        auto_ptr<string>(new string("Turkey Errors")),
        auto_ptr<string>(new string("Goose Eggs"))
        };
        auto_ptr<string> pwin;
        pwin = films[2]; // films[2] loses ownership. 将所有权从films[2]转让给pwin，此时films[2]不再引用该字符串从而变成空指针
    
        cout << "The nominees for best avian baseballl film are\n";
        for (int i = 0; i < 5; ++i)
        { 
            cout << *films[i] << endl;
        }
        cout << "The winner is " << *pwin << endl;
        return 0;
    }

编译时程序不会出错，但是运行时程序崩溃。因为films\[2\] 已经是空指针，\*films\[2\]访问空指针时程序会崩溃。但这里如果把 auto\_ptr 换成 shared\_ptr 或 unique\_ptr 后，程序就不会崩溃，原因如下：

使用 shared\_ptr 时运行正常，因为 shared\_ptr 采用引用计数，pwin 和films\[2\] 都指向同一块内存，在释放空间时因为事先要判断引用计数值的大小，因此不会出现多次删除一个对象的错误。

使用 unique\_ptr 时编译出错，与 auto\_ptr 一样unique\_ptr 也采用所有权模型，但在使用 unique\_ptr 时，程序不会等到运行阶段崩溃，而在编译下述代码行出现错误：

pwin = films[2];  //films[2] loses ownership

提示你发现潜在的内存错误。这就是为何要摒弃 auto\_ptr 的原因，一句话总结就是：避免因潜在的内存问题导致程序崩溃。

从上面可见，unique\_ptr 比 auto\_ptr 更加安全，因为 auto\_ptr 有拷贝语义，拷贝后原对象变得无效，再次访问原对象时会导致程序崩溃；unique\_ptr 则禁止了拷贝语义，但提供了移动语义，即可以使用std::move() 进行控制权限的转移，如下代码所示：

unique_ptr<string> upt(new string("lvlv"));
    unique_ptr<string> upt1(upt);	//编译出错，已禁止拷贝
    unique_ptr<string> upt1=upt;	//编译出错，已禁止拷贝
    unique_ptr<string> upt1=std::move(upt);  //控制权限转移
    
    auto_ptr<string> apt(new string("lvlv"));
    auto_ptr<string> apt1(apt);	//编译通过
    auto_ptr<string> apt1=apt;	//编译通过

这里要注意，在使用std::move将unique\_ptr的控制权限转移后，不能够再通过unique\_ptr来访问和控制资源了，否则同样会出现程序崩溃。我们可以在使用unique\_ptr访问资源前，使用成员函数get()进行判空操作。

unique_ptr<string> upt1=std::move(upt); //控制权限转移
    if(upt.get()!=nullptr)		           //判空操作更安全
    { 
    	//do something
    }

此部分解释摘自：[C++11中的四种智能指针][C_11]

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>>shared\_ptr

采用引用计数的智能指针。 如果你想要将一个原始指针分配给多个所有者（例如，从容器返回了指针副本又想保留原始指针时），请使用该指针。 直至所有shared\_ptr 所有者超出了范围或放弃所有权，才会删除原始指针。 大小为两个指针；一个用于对象，另一个用于包含引用计数的共享控制块。 头文件：`<memory>`。

>>unique\_ptr

只允许基础指针的一个所有者，即保证同一时间内只有一个智能指针可以指向该对象。 与 boost::scoped\_ptr 比较。 unique\_ptr 小巧高效；大小等同于一个指针且支持 rvalue 引用，从而可实现快速插入和对 STL 集合的检索。 头文件：`<memory>`。

它对于避免资源泄露(例如“以new创建对象后因为发生异常而忘记调用delete”)特别有用。

在这里插入代码片

>>weak\_ptr

share\_ptr虽然已经很好用了，但是有一点share\_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared\_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。

weak\_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared\_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的shared\_ptr， weak\_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak\_ptr 设计的目的是为配合 shared\_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared\_ptr 工作, 它只可以从一个 shared\_ptr 或另一个 weak\_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。weak\_ptr是用来解决shared\_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared\_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared\_ptr之间可以相互转化，shared\_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared\_ptr。

[参考文献二—博客园][Link 1]  
[参考文献三—CSDN][CSDN]

[C_11]: https://www.cnblogs.com/liutongqing/p/12513004.html
[Link 1]: https://www.cnblogs.com/WindSun/p/11444429.html
[CSDN]: https://blog.csdn.net/k346k346/article/details/81478223