智能指针（带引用计数、不带引用计数、自定义删除器）

2024-05-01 16:28
文章标签 指针 自定义 引用 智能 计数 删除 不带

本文主要是介绍智能指针（带引用计数、不带引用计数、自定义删除器），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

目录

1.不带引用计数的智能指针

1.1 auto_ptr

1.2 scoped_ptr

 1.3 unique_ptr

2.带引用计数的智能指针

2.1 强智能指针循环引用（交叉引用）问题

2.2 多线程访问共享对象问题

2.3 自定义智能指针（shared_ptr仿写）

 3.自定义删除器

1.不带引用计数的智能指针

1.1 auto_ptr

auto_ptr是C++函数库中的

ptr1指向内存区域。

拷贝构造后，ptr2指向内存区域，ptr1置空。

auto_ptr解决浅拷贝的策略：

永远让最后一个指针管理资源，之前的指针都置成nullptr ，如果再访问之前的指针，程序会崩溃。所以，不推荐使用。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;int main()
{	auto_ptr<int> ptr1(new int);auto_ptr<int> ptr2(ptr1);*ptr2 = 20;cout << *ptr1 << endl;
}

1.2 scoped_ptr

解决浅拷贝的方法简单粗暴，直接删除拷贝构造和赋值运算符重载函数，不支持赋值功能，赋值的话会报错。

scoped_ptr(const scoped_ptr<T>&) = delete;
scoped_ptr<T>& operator=(const scoped_ptr<T>&) = delete;

从 C++11 开始，std::unique_ptr 成为了标准库中的一部分，它提供了与 scoped_ptr 类似的功能，但更加完善和灵活。std::unique_ptr 支持自定义删除器（deleter），可以与标准库容器（如 std::vector）一起使用，并且提供了移动语义，允许在不进行深复制的情况下转移所有权。 

 1.3 unique_ptr

同scoped_ptr一样，也删除了拷贝构造函数和赋值运算符重载函数，但是支持右值引用作为参数的函数。

unique_ptr(const unique_ptr<T>&) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&) = delete;unique_ptr(unique_ptr<T>&& src);
unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>&& src);
template <typename T>
unique_ptr<T> getSmartPtr()
{unique_ptr<T> ptr(new T());return ptr;
}
int main()
{unique_ptr<int> p1(new int);//unique_ptr<int> p2(p1);//错误，拷贝构造函数已在底部被删除//std::move=>C++11右值引用  std::move得到当前变量的右值类型unique_ptr<int> p2(std::move(p1));unique_ptr<int> ptr1 = getSmartPtr<int>();ptr1 = getSmartPtr<int>();
}

unique_ptr同样是让最后一个指针管理资源，之前的指针都置成nullptr，与auto_ptr不同的是，unique_ptr的这个特点是用户可以感知到的，因为用户如果需要赋值，必须要使用move，将原指针管理的资源挪到现指针。

2.带引用计数的智能指针

主要介绍shared_ptr和weak_ptr两个智能指针

什么是带引用计数的智能指针？

当允许多个智能指针指向同一个资源的时候，每一个智能指针都会给资源的引用计数加1，当一个智能指针析构时，同样会使资源的引用计数减1，这样最后一个智能指针把资源的引用计数从1减到0时，就说明该资源可以释放了，由最后一个智能指针的析构函数来处理资源的释放问题，这就是引用计数的概念。

要对资源的引用个数进行计数，那么大家知道，对于整数的++或者- -操作，它并不是线程安全的操作，因此shared_ptr和weak_ptr底层的引用计数已经通过CAS操作，保证了引用计数加减的原子特性，因此shared_ptr和weak_ptr本身就是线程安全的带引用计数的智能指针。

曾经有一道面试的问题这样问“shared_ptr智能指针的引用计数在哪里存放？”，当然，这个问题需要看shared_ptr的源码了，如下：

private:/*下面这两个是shared_ptr的成员变量，_Ptr是指向内存资源的指针，_Rep是指向new出来的计数器对象的指针，该计数器对象包含了资源的一个引用计数器count*/element_type * _Ptr{nullptr};_Ref_count_base * _Rep{nullptr};

因此，shared_ptr智能指针的资源引用计数器在内存的heap堆上。shared_ptr一般被称作强智能指针，weak_ptr被称作弱智能指针。

2.1 强智能指针循环引用（交叉引用）问题

如下代码：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;class B; // 前置声明类B
class A
{
public:A() { cout << "A()" << endl; }~A() { cout << "~A()" << endl; }shared_ptr<B> _ptrb; // 指向B对象的智能指针
};
class B
{
public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() { cout << "~B()" << endl; }shared_ptr<A> _ptra; // 指向A对象的智能指针
};
int main()
{shared_ptr<A> ptra(new A());// ptra指向A对象，A的引用计数为1shared_ptr<B> ptrb(new B());// ptrb指向B对象，B的引用计数为1ptra->_ptrb = ptrb;// A对象的成员变量_ptrb也指向B对象，B的引用计数为2ptrb->_ptra = ptra;// B对象的成员变量_ptra也指向A对象，A的引用计数为2cout << ptra.use_count() << endl; // 打印A的引用计数结果:2cout << ptrb.use_count() << endl; // 打印B的引用计数结果:2/*出main函数作用域，ptra和ptrb两个局部对象析构，分别给A对象和B对象的引用计数从2减到1，达不到释放A和B的条件（释放的条件是A和B的引用计数为0），因此造成两个new出来的A和B对象无法释放，导致内存泄露，这个问题就是“强智能指针的交叉引用(循环引用)问题”*/return 0;
}

测试结果：

 

可以看到，A和B对象并没有进行析构，造成内存泄露，原因如下：

能够看出“交叉引用”的问题所在，就是对象无法析构，资源无法释放，那怎么解决这个问题呢？请注意强弱智能指针的一个重要应用规则：定义对象时，用强智能指针shared_ptr，在其它地方引用对象时，使用弱智能指针weak_ptr。

代码如下：

_ptra.lock()方法将弱指针提升为强指针，弱指针只能观察资源而不能使用资源，提升为强智能指针后就可以访问类A中的成员方法了。


class B;
class A
{
public:A() { cout << "A()" << endl; }~A() { cout << "~A()" << endl; }void testA() { cout << "非常好用的方法" << endl; }weak_ptr<B> _ptrb;
};class B
{
public:B() { cout << "B()" << endl; }~B() { cout << "~B()" << endl; }void func(){shared_ptr<A> ps = _ptra.lock();//提升方法，转变为强指针if (ps != nullptr)//提升成功，（指针还在，没有被释放）{ps->testA();}}weak_ptr<A> _ptra;//无法访问资源
};int main()
{shared_ptr<A> pa(new A());shared_ptr<B> pb(new B());pa->_ptrb = pb;pb->_ptra = pa;cout << pa.use_count() << endl;cout << pb.use_count() << endl;return 0;
}

测试结果：

 

2.2 多线程访问共享对象问题

智能指针解决多线程访问共享对象的线程安全问题

2.3 自定义智能指针（shared_ptr仿写）

//对资源进行引用计数的类
template<typename T>
class RefCnt
{
public:RefCnt(T* ptr=nullptr):mptr(ptr){if (mptr != nullptr)mcount = 1;}void addRef() { mcount++; }//增加资源的引用计数int delRef() { return --mcount; }
private:T* mptr;int mcount;//目前实现的，mcount++,--mcount不是线程安全的，库中采用的是原子类型，atomic_int  CAS
};
template<typename T>
class CSmartPtr//shared_ptr
{
public:CSmartPtr(T* ptr = nullptr) :mptr(ptr) {mpRefCnt = new RefCnt<T>(mptr);}~CSmartPtr() {if (0 == mpRefCnt->delRef()){delete mptr;mptr = nullptr;}}T& operator*() { return *mptr; }T* operator->() { return mptr; }CSmartPtr(const CSmartPtr<T>& src):mptr(src.mptr),mpRefCnt(src.mpRefCnt){mpRefCnt->addRef();}CSmartPtr<T>& operator=(const CSmartPtr<T>& src){if (this == &src)return *this;if (0 == mpRefCnt->delRef()){delete mptr;}mptr = src.mptr;mpRefCnt = src.mpRefCnt;mpRefCnt->addRef();return *this;}
private:T* mptr;//指向资源的指针RefCnt<T> *mpRefCnt;//指向该资源引用计数对象的指针
};int main()
{CSmartPtr<int> ptr1(new int);CSmartPtr<int> ptr2(ptr1);CSmartPtr<int> ptr3;ptr3 = ptr2;*ptr1 = 20;cout << *ptr2 << " " << *ptr3 << endl;return 0;
}

 3.自定义删除器

我们经常用智能指针管理的资源是堆内存，当智能指针出作用域的时候，在其析构函数中会delete释放堆内存资源，但是除了堆内存资源，智能指针还可以管理其它资源，比如打开的文件，此时对于文件指针的关闭，就不能用delete了，这时我们需要自定义智能指针释放资源的方式，先看看unique_ptr智能指针的析构函数代码，如下：

~unique_ptr() noexcept
{	// destroy the object
if (get() != pointer()){this->get_deleter()(get()); // 这里获取底层的删除器，进行函数对象的调用}
}template<typename T>class default_delete{public:void operator()(T* ptr){delete ptr;}
};

从unique_ptr的析构函数可以看到，如果要实现一个自定义的删除器，实际上就是定义一个函数对象而已，代码如下：

#include <functional>template<typename T>
class MyDeletor
{
public:void operator()(T* ptr)const{cout << "call MyDeletor.operator()" << endl;delete[]ptr;}
};template<typename T>
class MyFileDeletor
{
public:void operator()(T* ptr)const{cout << "call MyDeletor.operator()" << endl;fclose(ptr);}
};int main()
{unique_ptr<int, MyDeletor<int>> ptr1(new int[100]);//delete []ptr1unique_ptr<FILE, MyFileDeletor<FILE>> ptr2(fopen("data.txt", "w"));return 0;
}

当然这种方式需要定义额外的函数对象类型，不推荐，可以用C++11提供的函数对象function和lambda表达式更好的处理自定义删除器，代码如下：

int main()
{//lambda表达式=》函数对象 functionunique_ptr<int, function<void(int*)>> ptr1(new int[100],[](int* p)->void {cout << "call lambda release new int[100]" << endl;delete[] p;});unique_ptr<FILE, function<void(FILE*)>> ptr2(fopen("data.txt", "w"),[](FILE* p)->void {//指向返回值cout << "call lambda release new fopen" << endl;fclose(p);});return 0;
}

这篇关于智能指针（带引用计数、不带引用计数、自定义删除器）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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