C++智能指针

菜鸟笔记 2022-08-26

文章目录

为了解决指针资源忘记或没有删除导致的内存泄露问题，C++就出现了智能指针的机制，可以在使用的时候初始化，在离开作用域之后就自动析构，删除资源

C++98的智能指针

auto_ptr的模拟实现

auto_ptr是最早期的智能指针形态，
它可以实现在

  • 构造函数里面初始化
  • 在析构函数里面将资源销毁，不用我们去显示调用，避免内存泄露
  • 但是它无法解决拷贝构造的问题,它是浅拷贝（会造成资源被多次析构）（使用管理权转移的方式来进行拷贝构造即构造之后，自己的资源就没了）
namespace xzw
{
    template <class T>
    class auto_ptr
    {
    private:
        T *_ptr;

    public:
        //在构造函数
        auto_ptr(T *ptr)
            : _ptr(ptr) //原生指针支持拷贝
        {
        }
        ~auto_ptr()
        {
            if (_ptr)
            {
                cout << "delete" << endl;
                delete _ptr; //析构函数把他清理
            }
        }

        //如何解决拷贝问题,管理权转移，只有一个人析构它
        auto_ptr(auto_ptr<T> &sp)
            : _ptr(sp._ptr)
        {
            //资源转给你，
            //把管理权转移
            sp._ptr = nullptr; //自己置成空,自己没了，
        }

        T &operator*()
        {
            return *_ptr;
        }
        T *operator->() //返回原生指针即可
        {
            return _ptr;
        }
    };
};
void demo1()
{
    int *p1 = new int;
    xzw::auto_ptr<int> sp1(p1); //拷贝构造,出了作用域就调用他们的析构函数,抛异常的话也会出作用域，也就自动调用析构函数，
    int *p2 = new int;
    xzw::auto_ptr<int> sp2(sp1);     //拷贝构造
    xzw::auto_ptr<int> sp3(new int); //直接用new出来的资源给它
    *sp3 = 10;
    cout << __LINE__ << *sp3 << endl;
    cout << *sp1 << endl; //出现空指针问题
    //希望能够像指针一样使用，重载以下operator*

    //结论就是auto_ptr是一个失败的设计.很多公司明确要求不能使用auto_ptr
}

实际工作中绝对不能使用auto_ptr

C++11的智能指针

定制删除器

默认情况下，智能指针底层的删除器都是用delete
但是不同的资源销毁的方式不同，直接用delete十分暴力，不合理，所以就有了定制删除器

比如:

  • malloc -> free
  • open -> close
  • fopen -> fclose
  • new[] -> delete[]
    …

我们在下文会详细解释

unique_ptr的模拟实现

unique_ptr对于拷贝构造的解决方式即直接把拷贝构造给禁止了

namespace Uni_Ptr
{

        template <class T>
    class defult_delete
    {
    public:
        void operator()(const T* ptr)
        {
            cout<<__LINE__<<endl;
            cout<<"delete"<<endl;
            delete ptr;
        }
    };
    template <class T, class D=default_delete<T>>//默认释放这个类型,在模板里面调用的不是仿函数,而是对应的类型

    //原理简单粗暴，——防拷贝，直接不让你拷贝
    class unique_ptr
    {
    private:
        T *_ptr;
        unique_ptr(const unique_ptr<T> &sp) = delete; //直接把它拷贝给弄掉
    public:
        //在构造函数
        unique_ptr(T *ptr)
            : _ptr(ptr) //原生指针支持拷贝
        {
        }
        ~unique_ptr()
        {
            if (_ptr)
            {
                // cout << "delete" << endl;
                // delete _ptr; //析构函数把他清理
                D del;
                del(_ptr);//默认的情况就是用default_delete,
            }
        }

        T &operator*()
        {
            return *_ptr;
        }
        T *operator->() //返回原生指针即可
        {
            return _ptr;
        }
    };
};


void demo2()
{
    Uni_Ptr::unique_ptr<int> sp1(new int);
    // Uni_Ptr::unique_ptr<int> sp2(sp1);
    // std::unique_ptr<int> sp(sp1);//不支持拷贝构造
}

unique_ptr对于定制删除器的使用，就是我们在外面写一个类的仿函数，在模板里面进行传参即可

template <class T>
struct DeleteArray
{
    void operator()(const T *ptr)
    {
        cout << "delete[]" << endl;
        delete[] ptr;
    }
};

#include<cstdio>
#include<stdio.h>
struct DeleteFile
{
    void operator()(FILE *ptr)
    {
        cout << "fclose:" << endl;
        fclose(ptr);
    }
};


void demo6()
{
    //定制删除器
    //默认情况下，智能指针在底层都是用delete
    //那么如果不是new 出来，如new[],malloc,fopen
    //unque_ptr是在类的模板参数里面（类型）
    Uni_Ptr::unique_ptr<Date> s(new Date);
    Uni_Ptr::unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> s1(new Date[10]); //我们可以显示定制删除器
    Uni_Ptr::unique_ptr<FILE,DeleteFile> s2(fopen("1.txt","w"));//我们这里用fopen,要自己特制一个删除器

}

shared_ptr的模拟实现

shared_ptr是为了解决unique_ptr无法实现拷贝构造
新增加了一个引用计数的机制:

同一个对象只能有一个引用计数，当调用构造函数的时候，第一个引用计数出现为1，后续如果有发生拷贝构造，引用计数就+1，当析构的时候，引用计数就-1，直到引用计数为0的时候，这个资源就销毁

即由最后一个管理的对象来进行对资源的释放

  • 智能指针是线程安全的，因为对里面的引用计数进行了加锁处理，但是指向的资源不是线程安全的，这个需要使用者手动处理
namespace Shared_Ptr
{
    //我们要实现定制删除器

    template <class T>
    class defult_delete
    {
    public:
        void operator()(const T* ptr)
        {
            cout<<__LINE__<<endl;
            delete ptr;
        }
    };
    template <class T, class D=default_delete<T>>//默认释放这个类型,在模板里面调用的不是仿函数,而是对应的类型
    class shared_ptr
    {
    private:
        T *_ptr;
        // static int _refcout; //这样就只有一个了,属于所有对象共享,但是要在类外面初始化，所以我们应该一个资源配一个引用计数，因为static是属于类的
        int *_pRefCount; //这个就是引用计数,凡是用浅拷贝都是要用引用计数，才能搞定这个东西
        //一个引用计数就要管理一个锁
        mutex *_mtx; // 这样就可以访问同一个锁
    public:
        //在构造函数,调用一次构造函数引用计数就加1
        shared_ptr(T *ptr)
            : _ptr(ptr), _pRefCount(new int(1)), _mtx(new mutex) //原生指针支持拷贝,用指针，不同的人就可以指向同一个资源

        {
            //只有第一个人会调用构造函数
            // _refcout=1;//就为1,管理不同的资源就会把别人的给修改了,
        }

        shared_ptr(const shared_ptr<T> &sp)                           //调用拷贝构造
            : _ptr(sp._ptr), _pRefCount(sp._pRefCount), _mtx(sp._mtx) //引用计数也拷贝过去
        {
            // ++_refcout;
            // ++(*_pRefCount); //因为是同一个资源，所以就可以对它进行++，
            AddRef();
        }
        ~shared_ptr()
        {
            Release();
        }
        T *get() const
        {
            return _ptr;
        }
        //如何解决拷贝问题,管理权转移，只有一个人析构它

        T &operator*()
        {
            return *_ptr;
        }
        T *operator->() //返回原生指针即可
        {
            return _ptr;
        }
        void Release()
        {
            _mtx->lock();
            //管理临界区
            (*_pRefCount)--; //析构的时候，把引用计数--
            bool flag = false;
            if (!(*_pRefCount) && _ptr)
            {
                cout << "delete" << endl;
                delete _ptr; //析构函数把他清理
                delete _pRefCount;
                _ptr = nullptr;
                _pRefCount = nullptr;
                flag = true;
                // delete是把原来对应的空间给释放掉,但是对应的指针还在堆区里面，所以还能用
            }
            _mtx->unlock();
            if (flag)
            {
                delete _mtx;
                _mtx = nullptr;
            }
        }
        void AddRef()
        {
            _mtx->lock();
            (*_pRefCount)++;
            _mtx->unlock();
        }
        shared_ptr<T> &operator=(const shared_ptr<T> &sp) //这个就牵扯到两个资源，
        {
            if (_ptr != sp._ptr) //自己给自己赋值
            {
                //原来的引用计数减一
                Release();
                _ptr = sp._ptr;             // delete之后指针还在，指向不同的空间就行了
                _pRefCount = sp._pRefCount; //现在引用计数也要和其相等
                _mtx = sp._mtx;
                AddRef();
            }
            return *this;
        }
    };
    };

void demo3()
{
    Shared_Ptr::shared_ptr<int> sp(new int);
    Shared_Ptr::shared_ptr<int> sp1(sp);
    Shared_Ptr::shared_ptr<int> sp2(sp);
    Shared_Ptr::shared_ptr<int> sp3(sp);
    Shared_Ptr::shared_ptr<int> sp4(new int(3)); //这样就可以做到构造的对象就只析构一次
    sp1 = sp4;
    sp2 = sp4;
    sp = sp4;
    // sp3=sp4;

    //指向的堆上资源的线程安全的问题是访问的人处理的，智能指针不管
    //引用计数的线程安全问题是智能指针要处理的

    *sp4 = 3;
    *sp = 4;

    cout << (*sp3) << endl;
    cout << __LINE__ << endl;
}

struct Date
{
    int _year = 1;
    int _month = 1;
    int _day = 1;
};

void SharePtreFunc(Shared_Ptr::shared_ptr<Date> &sp, size_t n, mutex &mtx)
{
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        Shared_Ptr::shared_ptr<Date> copy(sp);
        //访问临界资源，加锁

        {
            //这里我们可以括一个匿名域
            unique_lock<mutex> lock(mtx); //这个支持中间解锁

            copy->_day++;
            copy->_month++;
            copy->_year++;
            //或者unlock
            lock.unlock();
        }

        cout << "hello" << endl; //这个我不想管它的线程安全
    }
}

//智能指针是线程安全的
//因为引用计数的加减都是加锁保护的，但是指向的资源不是线程安全的，要我们自己手动处理

void demo4()
{
    Shared_Ptr::shared_ptr<Date> p(new Date);
    const size_t n = 10000000;
    mutex mtx;
    thread t1(SharePtreFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx)); //这样就有线程安全问题,两个线程同时去++，就会有问题，
    thread t2(SharePtreFunc, std::ref(p), n, std::ref(mtx));

    t1.join();
    t2.join();
    cout << p->_day << endl;
    cout << p->_month << endl;
    cout << p->_year << endl;
}

shared_ptr对于定制删除器的使用:就是在构造函数的时候加上，该可调用对象（函数指针，仿函数，lambda表达式）
使用lambda表达式最方便

template <class T>
struct DeleteArray
{
    void operator()(const T *ptr)
    {
        cout << "delete[]" << endl;
        delete[] ptr;
    }
};

#include<cstdio>
#include<stdio.h>
struct DeleteFile
{
    void operator()(FILE *ptr)
    {
        cout << "fclose:" << endl;
        fclose(ptr);
    }
};


void demo6()
{


    //删除器在构造函数里面给对象
    std::shared_ptr<Date> srp(new Date);
    std::shared_ptr<Date> srp4(new Date[10],DeleteArray<Date>());
    
    //使用lambda表达式就更加方便了

    std::shared_ptr<Date> srp3(new Date[10],[](Date* ptr){cout<<"delete []"<<endl;
    delete[] ptr;});
    
    std::shared_ptr<FILE> srp1(fopen("1.txt","w"),DeleteFile());//在构造函数里面传删除器
    std::shared_ptr<FILE> srp2(fopen("1.txt","w"),[](FILE* ptr){fclose(ptr);});//在构造函数里面传删除器

}

weak_ptr

shared_ptr会出现循环引用的问题
一个指针，你里面有一个智能指针，指向我，我里面有一个智能指针指向你，这就是循环引用

struct ListNode
{
    int _val;

     shared_ptr<ListNode> _prev;
     shared_ptr<ListNode> _next;
};

void demo5()
{
    shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
    shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
    cout << n1.use_count() << endl;
    cout << n2.use_count() << endl;
    //这样就能解决循环引用的问题,一个指针，你里面有一个智能指针，指向我，我里面有一个智能指针指向你，这就是循环引用

     n1->_prev=n2;//这样子会增加引用计数
     n2->_next=n1;
    cout << n1.use_count() << endl;
    cout << n2.use_count() << endl;
}

这样子会出现问题

weak_ptr是一个弱指针，没有引用计数的机制，可以支持shared_ptr对它进行拷贝构造和赋值

  template <class T>
    class weak_ptr
    {
    private:
        T *_ptr;

    public:
        weak_ptr()
            : _ptr(nullptr)
        {
        }
        weak_ptr(const shared_ptr<T> &sp)
            : _ptr(sp.get())
        {
        }
        weak_ptr<T> &operator=(const shared_ptr<T> &sp)
        {
            _ptr = sp.get();
            return *this;
        }
    };
	
struct ListNode
{
    int _val;
    Shared_Ptr::weak_ptr<ListNode> _prev; //弱指针,不增加引用计数,只是可以访问指向的节点资源，但是不参与节点资源的释放管理,
    Shared_Ptr::weak_ptr<ListNode> _next;
    
};


void demo5()
{
    shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
    shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
    cout << n1.use_count() << endl;
    cout << n2.use_count() << endl;
    //这样就能解决循环引用的问题,一个指针，你里面有一个智能指针，指向我，我里面有一个智能指针指向你，这就是循环引用

     n1->_prev=n2;
     n2->_next=n1;
    cout << n1.use_count() << endl;
    cout << n2.use_count() << endl;
}

总结一点：如果使用对象的话，就要用强指针，如果要引用一个对象的话，就要用弱指针
即weak_ptr不会参与空间资源的管理，只是作为一个解决循环引用的工具

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