C++ 的智能指针

专属所有权：unique_ptr

我们大多数场景下用到的应该都是 unique_ptr。

// C++11
unique_ptr<string> p1;
p1.reste(new string("hello world"));
// C++11
unique_ptr<string> p1(new string("hello world"));
// C++14 
auto w = make_unique<Wight>();

unique_ptr 代表的是专属所有权，即由 unique_ptr 管理的内存，只能被一个对象持有，所以，unique_ptr 不支持复制和赋值，如下：

auto w = std::make_unique<Wight>();
auto w2 = w;  // 编译错误

unique_ptr 在默认情况下和裸指针的大小是一样的。

unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可自定义删除器可指定其他操作)。

在unique_ptr生命周期内，可以改变unique_ptr所指对象：
1、通过reset方法重新指定、
2、通过release方法释放所有权、
3、通过移动语义转移所有权。

u = nullptr;      // 释放u指向的对象，并将u置为空
u.release()       // u放弃对指针的控制权，返回指针，并将u置为空
unique_ptr<string> p2(p1.release())    // 将p1置为空，并将资源所有权转移给p2

u.reset()         // 释放u指向的对象
u.reset(q)        // 令u释放原管理的对象，重新管理q资源
p2.reset(p1.release()) 

unique_ptr<string> p2 = std::move(p1);

共享所有权：shared_ptr

代表的是共享所有权，即多个 shared_ptr 可以共享同一块内存，shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存，每使用它一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。

shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。

智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化

shared_ptr p(new int(11));

也可以使用make_shared函数初始化。

auto w = make_shared<Wight>();

不能将指针直接赋值给一个shared_ptr指针，一个是类，一个是指针。

std::shared_ptr<int> p4 = new int(1)  // 错误写法

  • get函数获取原始指针，注意不要使用get初始化另一个智能指针或为智能指针赋值

    shared_ptr<int> p(new int(42));

int *q = p.get();
shared_ptr<int> p(p.get())    // 错误 ，原因同下
shared_ptr<int> p2(q)         // 错误， 原因同下

  • 注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存。

    int *p = new int(10);
  
shared_ptr<int> shp(p);
shared_ptr<int> shp2(p);      // 两次释放同一内存

  • 注意不要混合使用普通指针和智能指针

    int *x (new int(42));
process(shared_ptr<int>(x));    // 临时变量，内存会被释放掉
int j = *x;

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

weak_ptr的使用

  • weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。

  • weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0，但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。

    shared_ptr<int> sp = make_shared<int>(10);

wak_ptr<int> w(sp);
w = sp;

  • weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。

    if (shared_ptr<int> np = wp.lock()) {
    ......
}
循环引用

TODO

智能指针与多线程

有两个指针p1 和 p2，都指向同一个堆上的对象object，假设线程A通过p1指针将对象销毁了，那p2就成了空悬指针，这时一种典型的C/C++内存错误。

image.png

下面的例子：展现了这种内存错误。

struct client
{
public:
    client() : m_name(new string("Bob")) { }
    ~client() {  delete m_name;  cout << "~client()" << endl; }
    string *m_name;
};

class client_manager
{
public:
    void and_client(int client_id)
    {
        lock_guard<mutex> lk(m_lock);
        m_client_map.insert({client_id, new client()});
    }

    void remove_client(int client_id)
    {
        lock_guard<mutex> lk(m_lock);
        auto it = m_client_map.find(client_id);
        if (it != m_client_map.end())
        {
            m_client_map.erase(it);
            delete it->second;  // 销毁
        }
    }

    bool find_client(int client_id, client *&ptr)
    {
        bool result = false;
        lock_guard<mutex> lk(m_lock);
        auto it = m_client_map.find(client_id);
        if (it != m_client_map.end())
        {
            result = true;
            ptr = it->second;
        }

        return result;
    }

private:
    mutex m_lock;
    map<int, client *> m_client_map;
};

int main()
{
    client_manager manager;
    int id = 1;

    thread t1([&manager, &id]() {
        manager.and_client(id++);
    });
    t1.join();

    thread t2([&manager]() {
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));  // 模拟OS调度
        manager.remove_client(1);
    });

    thread t3([&manager]() {
        client *p1 = NULL;
        if (manager.find_client(1, p1))
        {
            this_thread::sleep_for(chrono::seconds(4));  // 模拟OS调度
            (*p1->m_name) = "world";  // 这里会段错误，因为p1 所指的对象在t2线程已经销毁了。
        }
    });

    t2.join();
    t3.join();
}

所以要想安全的销毁对象，最好在别人（线程）都看不到的情况下，偷偷的做，这也正是GC的原理，也符合shared_ptr 的 用法。

利用 shared_ptr 改造上面的错误。

class client_manager
{
public:
    void and_client(int client_id)
    {
        lock_guard<mutex> lk(m_lock);
        shared_ptr<client> p_client(new client());
        m_client_map.insert({client_id, p_client});
    }

    void remove_client(int client_id)
    {
        lock_guard<mutex> lk(m_lock);
        auto it = m_client_map.find(client_id);
        if (it != m_client_map.end())
        {
            m_client_map.erase(it);
        }
    }

    bool find_client(int client_id, shared_ptr<client> &ptr)
    {
        bool result = false;
        lock_guard<mutex> lk(m_lock);
        auto it = m_client_map.find(client_id);
        if (it != m_client_map.end())
        {
            result = true;
            ptr = it->second;
        }

        return result;
    }

private:
    mutex m_lock;
    map<int, shared_ptr<client>> m_client_map;
};

int main()
{
    client_manager manager;
    int id = 1;

    thread t1([&manager, &id]() {
        manager.and_client(id++);
    });
    t1.join();

    thread t2([&manager]() {
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2)); // 模拟OS调度
        manager.remove_client(1);
    });

    thread t3([&manager]() {
        shared_ptr<client> p1;
        if (manager.find_client(1, p1))
        {
            cout << p1.use_count() << endl;
            this_thread::sleep_for(chrono::seconds(4)); // 模拟OS调度
            cout << p1.use_count() << endl;
            (*p1->m_name) = "world";
        }
        else
        {
            cout << "not found" << endl;
        }
    });

    t2.join();
    t3.join();
}

实现

TODO

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