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为什么需要智能指针？

news 2025/7/13 4:32:50

为什么需要智能指针？

  1. 解决忘记释放内存导致内存泄漏的问题。
  2. 解决异常安全问题。
#include<iostream>
using namespace std;int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
void Func()
{// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？int* p1 = new int;int* p2 = new int;cout << div() << endl;delete p1;delete p2;
}
int main()
{try{Func();}catch (exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

问：如果p1这里new 抛异常会如何？

答：p1、p2不会开空间，内存没有释放

问：如果p2这里new 抛异常会如何？

答：p2不会开空间，内存没有得到释放

问：如果div调用这里又会抛异常会如何？

答：内存没有被释放。

那么如何解决呢？

可以利用智能指针来解决这个问题。

智能指针的使用及其原理

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：

  • 不需要显示地释放资源。
  • 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

我们用一个类来封装一下这个指针，实现如下：

#include<iostream>
using namespace std;namespace hayaizo
{template<class T>class smart_ptr{public:smart_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}~smart_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}private:T* _ptr;};
}int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
void Func()
{hayaizo::smart_ptr<int> sp1(new int);hayaizo::smart_ptr<int> sp2(new int);cout << div() << endl;
}int main(void)
{try {Func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

运行结果：

既然是指针，那么也需要支持解引用*和->，重载这两个符号就好了。

namespace hayaizo
{template<class T>class smart_ptr{public:smart_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}~smart_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

但这样地封装会有一个致命的缺点，一个地址只能被一个智能指针指向，不然会导致同一块内存释放两次的问题，我们看看官方库中的auto_ptr是怎么解决的。

可以看到，sp1的地址变成了sp2的地址了，然后sp1的地址变成了nullptr。

手搓一个低配版的auto_ptr：

namespace hayaizo
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr<T>&ap):_ptr(ap._ptr){ap._ptr = nullptr;}auto_ptr<T> operator=(auto_ptr<T>& ap){if (this != &ap){if (_ptr){delete _ptr;}_ptr = ap._ptr;ap._ptr = nullptr;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

但这样确实可以解决问题，但是已经失去了原生指针的功能了，原生指针是支持同一个地址被很多个指针指向的，在介绍解决方法之前得先介绍unique_ptr。

unique_ptr

unique_ptr非常粗暴，直接不让你拷贝，把拷贝构造禁掉了。

	template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}unique_ptr(unique_ptr<T>& ap)=delete{}unique_ptr<T> operator=(unique_ptr<T>& ap)=delete{}~unique_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};

shared_ptr

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

  1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共 享。
  2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减 一。
  3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源。
  4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对 象就成野指针了。

比如我用三个智能指针指向地址0x00112233，因此，计数为3，当计数等于0的时候再进行销毁。

那么，这里的计数可以单纯用一个int _cnt或者static int _cnt来表示吗？

答案是否定的。

如果是int _cnt，那么每个对象都是单独的计数。

如果是``static int _cnt`，那么每个对象都是用的同一份计数。

所以这里需要用一个指针来表示计数。

template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr),_cnt(new int(1)){}shared_ptr(shared_ptr<T>& ap):_ptr(ap._ptr),_cnt(ap._cnt){}void Release(){if (--(*_cnt) == 0){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){//p1=p1的情况if (_ptr == sp._ptr){return *this;}Release();_ptr = sp._ptr;_cnt = sp._cnt;(*_cnt)++;return *this;}int use_count(){return *_cnt;}T* get() const{return _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}~shared_ptr(){Release();}private:T* _ptr;int* _cnt;};}

循环引用

这里的n1和n2的引用计数都是2，所以形成了相互制约的局面。

n1的销毁看n2，n2的销毁看n1。

weak_ptr

weak_ptr是为配合shared_ptr而引入的一种智能指针。

weak_ptr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shared_ptr引用记数的增加或减少

	template<class T>class weak_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;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};struct Node
{int _val;hayaizo::weak_ptr<Node> _next;hayaizo::weak_ptr<Node> _prev;~Node(){cout << "~Node" << endl;}
};int main(void)
{hayaizo::shared_ptr<Node> n1(new Node);hayaizo::shared_ptr<Node> n2(new Node);n1->_next = n2;n2->_prev = n1;return 0;
}

很简单，就是n1内部的指针不参与引用计数，用另外的类封装起来就好了，就不会动shared_ptr<T>里面的引用计数了。

定制删除器

其实就是个仿函数，可以自己传删除方案。

//默认删除器template<class T>struct Delete{void operator()(T* ptr){cout << "delete: " << ptr << endl;delete ptr;}};template<class T,class D=Delete<T>>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr),_cnt(new int(1)){}shared_ptr(shared_ptr<T>& ap):_ptr(ap._ptr),_cnt(ap._cnt){}void Release(){if (--(*_cnt) == 0){cout << "delete: " << _ptr << endl;D del;del(_ptr);//D()(_ptr);匿名对象调用()}}shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){//p1=p1的情况if (_ptr == sp._ptr){return *this;}Release();_ptr = sp._ptr;_cnt = sp._cnt;(*_cnt)++;return *this;}int use_count(){return *_cnt;}T* get() const{return _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}~shared_ptr(){Release();}private:T* _ptr;int* _cnt;};

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

总代码：

//#include<iostream>
//using namespace std;
//
//int div()
//{
//	int a, b;
//	cin >> a >> b;
//	if (b == 0)
//		throw invalid_argument("除0错误");
//	return a / b;
//}
//void Func()
//{
//	// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
//	// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
//	// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
//	int* p1 = new int;
//	int* p2 = new int;
//	cout << div() << endl;
//	delete p1;
//	delete p2;
//}
//int main()
//{
//	try
//	{
//		Func();
//	}
//	catch (exception& e)
//	{
//		cout << e.what() << endl;
//	}
//	return 0;
//}#include<iostream>
using namespace std;namespace hayaizo
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr<T>&ap):_ptr(ap._ptr){ap._ptr = nullptr;}auto_ptr<T> operator=(auto_ptr<T>& ap){if (this != &ap){if (_ptr){delete _ptr;}_ptr = ap._ptr;ap._ptr = nullptr;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}unique_ptr(unique_ptr<T>& ap)=delete{}unique_ptr<T> operator=(unique_ptr<T>& ap)=delete{}~unique_ptr(){if (_ptr){cout << "delete: " << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};//默认删除器template<class T>struct Delete{void operator()(T* ptr){cout << "delete: " << ptr << endl;delete ptr;}};template<class T,class D=Delete<T>>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr),_cnt(new int(1)){}shared_ptr(shared_ptr<T>& ap):_ptr(ap._ptr),_cnt(ap._cnt){}void Release(){if (--(*_cnt) == 0){cout << "delete: " << _ptr << endl;D del;del(_ptr);//D()(_ptr);匿名对象调用()}}shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){//p1=p1的情况if (_ptr == sp._ptr){return *this;}Release();_ptr = sp._ptr;_cnt = sp._cnt;(*_cnt)++;return *this;}int use_count(){return *_cnt;}T* get() const{return _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}~shared_ptr(){Release();}private:T* _ptr;int* _cnt;};template<class T>class weak_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;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};}struct Node
{int _val;hayaizo::weak_ptr<Node> _next;hayaizo::weak_ptr<Node> _prev;~Node(){cout << "~Node" << endl;}
};template<class T>
struct DeleteArray
{void operator()(T* ptr){cout << "delete[]" << ptr << endl;delete[] ptr;}
};template<class T>
struct Free
{void operator()(T* ptr){cout << "free" << ptr << endl;free(ptr);}
}; int main(void)
{/*hayaizo::shared_ptr<Node> n1(new Node);hayaizo::shared_ptr<Node> n2(new Node);n1->_next = n2;n2->_prev = n1;*/hayaizo::shared_ptr<Node, DeleteArray<Node>> n1(new Node[5]);hayaizo::shared_ptr<Node> n2(new Node);hayaizo::shared_ptr<int, DeleteArray<int>> n3(new int[5]);hayaizo::shared_ptr<int, Free<int>> n4((int*)malloc(sizeof(int)));return 0;
}
http://www.lryc.cn/news/120903.html

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