c++中智能指针Shared_ptr的原理

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现摘录一篇不错的讲Shared_ptr的文章,要点记录如下:

  • 智能指针是为了管理针对于异常、线程间等的内存,防止发生内存泄漏而存在的
  • 其基于引用计数来管理内存,每新增一个指向该对象的智能指针则引用计数加一,减少一个(如超过作用域等)则减少一个。当减少到零时会自动调用相应对象的析构函数释放内存。
  • 注意避免循环引用**,shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用,循环,循环引用会导致堆内存无法正确释放,导致内存泄漏。

1 异常安全

C++没有内存回收机制,每次程序员new出来的对象需要手动delete,流程复杂时可能会漏掉delete,导致内存泄漏。于是C++引入智能指针,可用于动态资源管理,资源即对象的管理策略。

使用 raw pointer 管理动态内存时,经常会遇到这样的问题:

  • 忘记delete内存,造成内存泄露。
  • 出现异常时,不会执行delete,造成内存泄露。

下面的代码解释了,当一个操作发生异常时,会导致delete不会被执行:

void func() 
{
    auto ptr = new Widget;
    // 执行一个会抛出异常的操作
    func_throw_exception();
    
    delete ptr;
}

在C++98中,为了写出异常安全的代码,代码经常写的很笨拙,如下:

void func() 
{
    auto ptr = new Widget;
    try {
        func_throw_exception();
    }
    catch(...) {
        delete ptr;
        throw; 
    }
    delete ptr;
}

使用智能指针能轻易写出异常安全的代码,因为当对象退出作用域时,智能指针将自动调用对象的析构函数,避免内存泄露。

智能指针主要有三种:shared_ptr,unique_ptr和weak_ptr。

2** shared_ptr**

shared_ptr是最常用的智能指针(项目中我只用过shared_ptr)。shared_ptr采用了引用计数器,多个shared_ptr中的T *ptr指向同一个内存区域(同一个对象),并共同维护同一个引用计数器。shared_ptr定义如下,记录同一个实例被引用的次数,当引用次数大于0时可用,等于0时释放内存。

注意避免循环引用,shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用,循环,循环引用会导致堆内存无法正确释放,导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。

temple<typename T>
class SharedPtr {
public:
   ... 
private:
    T *_ptr;
    int *_refCount;     //should be int*, rather than int
};

shared_ptr对象每次离开作用域时会自动调用析构函数,而析构函数并不像其他类的析构函数一样,而是在释放内存是先判断引用计数器是否为0。等于0才做delete操作,否则只对引用计数器左减一操作。

~SharedPtr()
{
    if (_ptr && --*_refCount == 0) {
        delete _ptr;
        delete _refCount;
    }
}

接下来看一下构造函数,默认构造函数的引用计数器为0,ptr指向NULL:

SharedPtr() : _ptr((T *)0), _refCount(0)
 {
}

用普通指针初始化智能指针时,引用计数器初始化为1:

SharedPtr(T *obj) : _ptr(obj), _refCount(new int(1))
 {
 } //这里无法防止循环引用,若我们用同一个普通指针去初始化两个shared_ptr,此时两个ptr均指向同一片内存区域,但是引用计数器均为1,使用时需要注意。

拷贝构造函数需要注意,用一个shared_ptr对象去初始化另一个shared_ptr对象时,引用计数器加一,并指向同一片内存区域:

SharedPtr(SharedPtr &other) : _ptr(other._ptr), _refCount(&(++*other._refCount))
 {
 }

赋值运算符的重载

当用一个shared_ptr<T> other去给另一个 shared_ptr<T> sp赋值时,发生了两件事情:

一、sp指针指向发生变化,不再指向之前的内存区域,所以赋值前原来的_refCount要自减

二、sp指针指向other.ptr,所以other的引用计数器_refCount要做++操作。

SharedPtr &operator=(SharedPtr &other)
{
    if(this==&other)
        return *this;
        
    ++*other._refCount;
    if (--*_refCount == 0) {
        delete _ptr;
        delete _refCount;
    }
        
    _ptr = other._ptr;
    _refCount = other._refCount;
    return *this;
}

定义解引用运算符,直接返回底层指针的引用:

T &operator*()
{
    if (_refCount == 0)
        return (T*)0;
        
    return *_ptr;
}

定义指针运算符->

T *operator->()
{
    if(_refCount == 0)
        return 0;
        
    return _ptr;
}

3 测试

int main(int argc, const char * argv[])
{
    SharedPtr<string> pstr(new string("abc"));
    SharedPtr<string> pstr2(pstr);
    SharedPtr<string> pstr3(new string("hao"));
    pstr3 = pstr2;
    
    return 0;
}

为了让测试结果更明显,我在方法中加入了一些输出,测试结果如下:

image

源码链接:https://github.com/guhowo/test/tree/master/cplus/SharedPtr

思考

1、本文这种写法不是线程安全的,是吧?

2、boost中的shared_ptr线程安全吗?

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