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c++智能指針的不斷演化

發布時間：2020-06-24 10:47:23 來源：網絡 閱讀：1006 作者：羌笛夜 欄目：編程語言

RAII資源分配即初始化，定義一個類來封裝資源的分配和釋放，在構造 函數完成資源的分配和初始化，在析構函數完成資源的清理，可以保證資源的正確初始化和釋放。 

智能指針的引入：

由于return ,throw等關鍵字的存在，導致順序執行流的錯亂，不斷的進行跳轉，使開辟的空間

看似被釋放，而實際上導致內存的泄露。

例如以下兩個例子：

void Test1()
{
	int *p1 = new int(1);
	if (1)
	{
		return;
	}
	delete p1;
}

void DoSomeThing() 
{     //...     
	throw 2 ;
	//... 
} 
void Test2 () 
{     
	int* p1 = new int(2);   
	//...    
	try 
	{          
		DoSomeThing();  
	}     
	catch(...)    
	{          
		//delete p1 ;         
		throw;  
	}     
	//...     
	delete p1 ;
}

以上兩個例子，看似new與delete結合使用，但是實際上已經導致內存的泄露，為了解決以上問題，就需要在寫此類代碼時需要多加小心，但是對于大量的代碼開發，想要注意就很難了。

于是乎就引入了智能指針：

所謂智能指針就是智能/自動化的管理指針所指向的動態資源的釋放。

c++庫函數中的智能指針為（auto_ptr,unique_ptr,shared_ptr）；

Boost庫函數中的智能指針為（auto_ptr,scoped_ptr,shared_ptr）。


接下來就一起來了解一下智能指針的發展歷史。

1、在vc6.0之前的版本中auto_ptr的模擬實現方式

template<class T>
class OldAutoPtr
{
public:
	OldAutoPtr(T *ptr)
		:_ptr(ptr)
		, _owner(true)
	{}

	//拷貝構造
	OldAutoPtr(OldAutoPtr& ap)
		:_ptr(ap._ptr)
		,_owner(ap._owner)
	{
		ap._owner = false;//權限的轉讓
	}

	//運算符重載
	OldAutoPtr& operator=(OldAutoPtr& ap)
	{
		if (ap._ptr != _ptr)//自賦值和指向同一份空間
		{
			if (_ptr)
			{
				delete _ptr;
			}
			_ptr = ap._ptr;
			_owner = ap._owner;//權限的轉讓
			ap._owner = false;
		}
		return *this;
	}

	//析構函數
	~OldAutoPtr()
	{
		if (_owner)//只刪除擁有權限的指針
		{
			delete _ptr;
		}
	}

public:

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

	T* operator ->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
	bool _owner;//權限擁有者
};


評價：

看似最初版本的auto_ptr已經很接近了原聲指針的使用，多個指針都可以指向一份空間，而且釋放的同時不會導致同一份空間的多次釋放。但是在下面的情境中卻發生了致命的危害：


void TestOldAutoPtr()
{
	OldAutoPtr<int> ap1(new int(1));
	if (true)
	{
		OldAutoPtr<int> ap2(ap1);
		//OldAutoPtr<int> ap3(new int(2));
		//ap3 = ap2;
	}
	//ap1將析構的權限給予了ap2，ap1，ap2指向同一份空間，ap2在出了if作用域之后ap2對象釋放，進而導致ap1也被釋放。
	//但是在if作用域之外，又對ap1(ap2)指向的空間進行簡引用，導致程序崩潰，如果不使用的話則會造成指針的懸掛（野指針）。
	*ap1 = 10;
}

針對以上的狀況，在之后的版本中對auto_ptr進行了完全的權限轉移，轉移之后該指針不能使用。


2、現在的版本auto_ptr的實現

template<typename T>
class AutoPtr
{
public:
	AutoPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
		:_ptr(ap._ptr)
	{
		ap._ptr = NULL;//權限轉移
	}

	AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T> & ap)
	{
		if (this != &ap)//自賦值
		{
			if (_ptr)
			{
				delete _ptr;
			}
			_ptr = ap._ptr;
			ap._ptr = NULL;//權限轉移
		}
		return *this;
	}

	~AutoPtr()
	{
		if (_ptr != NULL)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = NULL;
		}
	}
public:
	T& operator * ()//沒有參數
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()//沒有參數
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

評價：

這種實現方式很好的解決了old的版本特殊場景的野指針問題，但是它與原生指針的差別更大，由于實現了完全的權限轉移，所以導致在拷貝構造和賦值之后只有一個指針可以使用，而其他指針都置為NULL,使用很不方便，而且還很容易導致對于NULL指針的截引用，導致程序崩潰，其危害也是比較大的。


3、針對以上的問題，在Boost庫中引入了簡單粗暴的解決方法scoped_ptr，直接不允許其拷貝構造和賦值（ps:新的C++11標準中叫做unique_ptr）

解決辦法：將賦值和拷貝構造函數只聲明，不實現，切記，將其聲明為protected或者private以免在類的外部對其進行破環性處理，同時也是提高了代碼的安全性。

template<typename T>
class ScopedPtr
{
	
public:
	ScopedPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~ScopedPtr()
	{
		if (_ptr != NULL)
		{
			delete _ptr;
		}
	}
protected://將其聲明為protected或者private不能聲明為public
	ScopedPtr(ScopedPtr<T>& sp);
	ScopedPtr<T>operator=(ScopedPtr<T>&sp);
public:
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T *_ptr;
};

評價：

在一般的情況下，如果不需要對于指針的內容進行拷貝，賦值操作，而只是為了防止內存泄漏的發生，該只能指針完全可以滿足需求。


4、允許拷貝構造和賦值的shared_ptr模擬實現

解決辦法：

通過為每個空間多開辟4個字節做為引用計數器，在拷貝構造、賦值、析構時用計數器來解決。

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

	SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
	{
		_ptr = sp._ptr;
		_pCount = sp._pCount;
		(*_pCount)++;
	}

	SharedPtr<T>operator=(SharedPtr<T> sp)
	{
		swap(_ptr, sp._ptr);
		swap(_pCount, sp._pCount);
		return *this;
	}

	~SharedPtr()
	{
		_Realse();
	}
public:
	void _Realse()
	{
		if (--(*_pCount) == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _pCount;
		}
	}

public:
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
	int* _pCount;
};

評價：

簡化版智能指針SharedPtr看起來不錯，但是實際上存在以下問題： 

1）循環引用 

2）定置刪除器

 

循環引用

c++智能指針的不斷演化

template<class T>
struct Node
{
public:
	~Node()
	{
		cout << "delete:" << this << endl;
	}
public:
	shared_ptr<Node> _prev;
	shared_ptr<Node> _next;
	/*weak_ptr<Node> _prev;
	weak_ptr<Node> _next;*/
};

void test_round()//循環引用
{
	shared_ptr<Node> cur(new Node());
	shared_ptr<Node> next(new Node());

	cout << "連接前：" << endl;
	cout << "cur:" << cur.use_count() << endl;
	cout << "next:" << next.use_count() << endl;

	cur->_next = next;
	next->_prev = cur;

	cout << "連接后：" << endl;
	cout << "cur:" << cur.use_count() << endl;
	cout << "next:" << next.use_count() << endl;


	/*shared_ptr<Node> cur(new Node());
	weak_ptr<Node> wp1(cur);*/
}

c++智能指針的不斷演化

解決辦法：

使用一個弱引用智能指針(weak_ptr)來打破循環引用（weak_ptr不增加引用計數）

template<class T>
struct Node
{
public:
	~Node()
	{
		cout << "delete:" << this << endl;
	}
public:
	//shared_ptr<Node> _prev;
	//shared_ptr<Node> _next;
	weak_ptr<Node> _prev;
	weak_ptr<Node> _next;
};

void test_round()//循環引用
{
	shared_ptr<Node> cur(new Node());
	shared_ptr<Node> next(new Node());

	cout << "連接前：" << endl;
	cout << "cur:" << cur.use_count() << endl;
	cout << "next:" << next.use_count() << endl;

	cur->_next = next;
	next->_prev = cur;

	cout << "連接后：" << endl;
	cout << "cur:" << cur.use_count() << endl;
	cout << "next:" << next.use_count() << endl;


	/*shared_ptr<Node> cur(new Node());
	weak_ptr<Node> wp1(cur);*/
}

c++智能指針的不斷演化


定置刪除器

在shared_ptr中只能處理釋放new開辟的空間，而對于malloc，以及fopen打開的文件指針不能處理，為了能夠全面的處理各種各樣的指針，所以提出了定制刪除器，而其實現則是通過仿函數（通過對（）運算符的重載）來實現。

1）模擬實現的解決

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

	SharedPtr(T* ptr, D del)
		:_ptr(ptr)
		, _pCount(new int(1))
		, _del(del)
	{}

	SharedPtr(const SharedPtr<T, D>& sp)
	{
		_ptr = sp._ptr;
		_pCount = sp._pCount;
		(*_pCount)++;
	}

	SharedPtr<T, D>operator=(SharedPtr<T, D> sp)
	{
		swap(_ptr, sp._ptr);
		swap(_pCount, sp._pCount);
		return *this;
	}
	~SharedPtr()
	{
		_Realse();
	}
public:
	void _Realse()
	{
		if (--(*_pCount) == 0)
		{
			_del(_ptr);
			delete _pCount;
		}
	}
	
public:
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
	int* _pCount;
	D _del;
};

template<typename T>
struct DeafaultDel
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "DeafaultDel:" << ptr << endl;
	}
};

template<typename T>
struct Free
{
	void operator()(T*ptr)
	{
		cout << "Free:" << ptr << endl;
	}
};

template<typename T>
struct Fclose
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "Fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};
//測試代碼
void TestDelete()
{
	int *p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	SharedPtr<int,Free<int>> sp1(p1);
	
	FILE* p2 = fopen("test.txt", "r");
	SharedPtr<FILE, Fclose<FILE>> sp2(p2);
}

測試結果

c++智能指針的不斷演化

2）系統shared_ptr的解決

struct Free
{
	void operator()(void * ptr)
	{
		cout << "Free:" << ptr << endl;
		free(ptr);	
	}
};

struct Fclose
{
	void operator ()(FILE* ptr)
	{
		cout << "Fclose" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};
//測試代碼
void test_shared_ptr_delete()
{
	int *p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	shared_ptr<int> sp1(p1,Free());

	FILE* p2 = fopen("test.txt", "r");
	shared_ptr<FILE> sp2(p2,Fclose());//崩潰

}

測試結果

c++智能指針的不斷演化


總結：

1、如果需要使用智能指針的話，scoped_ptr完全可以勝任。在非常特殊的情況下，例如對STL容器對象，應該只使用shared_ptr，任何情況下都不要使用auto_ptr.

2、使用時盡量局部化，因為其是通過調用其析構函數來實現資源的回收。 

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