RAII ------- 智能指针-----------auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr 的使用原理、模拟实现、以及缺陷

2023-12-07 00:40
文章标签 实现 指针 使用 模拟 智能 原理 auto 缺陷 shared unique ptr raii

本文主要是介绍RAII ------- 智能指针-----------auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr 的使用原理、模拟实现、以及缺陷，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！

1.为什么需要智能指针？

C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄漏，在lock和 unlock之间抛出了异常导致死锁。为了解决这些情况，我们通常使用RII来解决。

2.智能指针的使用及原理

2.1 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对资源进行释放。借此，我们实际上把对一份资源的责任托管给了一个对象。**这种做法有以下两大好处：

  • 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周期内始终保持有效。
template<class T>
class SmartPtr
{public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if(_ptr)delete _ptr;}private:T* _ptr;} ;

2.2 智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去 访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。*

template<class T>
class SmartPtr
{public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if(_ptr)delete _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;} ;struct Date{int _year;int _month;int _day;};int main(){SmartPtr<int> sp1(new int);*sp1 = 10;cout<<*sp1<<endl;SmartPtr<int> sparray(new Date);//需要注意的是，这里应该是sparray.operator->()->_year = 2019;//本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->sparray->_year = 2019; sparray->_month = 10;sparray->_month = 18;}

总结一下智能指针的原理：

  1. RAII特性
  2. 重载operator*和 opertaor-> ，具有像指针一样的行为。
    2.3 std::autoptr
    C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题
    auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想。对象进行拷贝时，就会将该对象中的资源转移给另一个对象，将自身的置空。
#include<memory>
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{public:Date(){cout<<"Date()"<<endl;}~Date(){cout<<"~Date()"<<endl;		}		int _year;int _month;int _day;
};int main()
{auto_ptr<Date> ap(new Date);auto_ptr<Date> copy(ap);//auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了//  C++98中设计的auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptrap->_year = 2019;return 0;}

上面代码的调试结果：
在这里插入图片描述
下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理：

// 模拟实现一份简答的AutoPtr,了解原理 
template<class T>class AutoPtr{public:AutoPtr(T* ptr = NULL): _ptr(ptr){} ~AutoPtr(){if(_ptr)delete _ptr;} // 一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另ap与其所管理资源断开联系，    // 这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题    AutoPtr(AutoPtr<T>& ap): _ptr(ap._ptr){ap._ptr = NULL;}        AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)    {        // 检测是否为自己给自己赋值        if(this != &ap)        {            // 释放当前对象中资源            if(_ptr)                delete _ptr;                        // 转移ap中资源到当前对象中           _ptr = ap._ptr;            ap._ptr = NULL;        }                return *this;    }    T& operator*() {return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;
};

2.4 std::unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr

int main() 
{    unique_ptr<Date> up(new Date);       // unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。    	unique_ptr<Date> copy(ap);return 0; }

由下面的结果可以看出，unique_ptr 是不允许进行拷贝的，这也就是unique_ptr的实现原理 ：简单粗暴的防止拷贝。
在这里插入图片描述下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理 ：

// 模拟实现一份简答的unique_ptr,了解原理 
template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr = NULL): _ptr(ptr){} ~AutoPtr(){if(_ptr)delete _ptr;} T& operator*() {return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private://c++98的防拷贝方式：只声明不实现+声明为私有 unique_ptr(unique_ptr<T> const&);unique_ptr& operator= (unique_ptr<T> const&);//c++11 防止拷贝的方式：deleteunique_ptr(unique_ptr<T> const&) = delete; unique_ptr& operator= (unique_ptr<T> const&) = delete;private:T* _ptr;
};

2.5 std::shared_ptr
C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
在这里插入图片描述
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.

#include<iostream>
#include<mutex>
using namespace std;
template<class T>
class sharedptr
{public:sharedptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr), _count(new int(1)), _pMutex(new mutex){}//拷贝构造 sharedptr(const sharedptr<T>& sp): _ptr(sp.ptr), _count(sp.count), _pMutex(sp.count){addCount();}//赋值重载sharedptr& operator=(const sharedptr& sp){//防止自己自己赋值 if (_ptr != sp._ptr){//释放自己的资源 Release();//共享管理新对象的资源,并增加引用计数 _ptr = sp._ptr;_count = sp._count;_pMutex = sp._pMutex;addCount();}return *this;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}void addCount(){_pMutex.lock();++(*_count);_pMutex.unlock();}int use_count(){return *_count;}T* Get{return _ptr;}~sharedptr(){Release();}
private:void Release(){bool deleteflag = false;//引用计数减一，如果减到0，则释放资源_pMutex.lock();if (--(*_count) == 0){delete _ptr;delete _count;deleteflag = true;}_pMutex.unlock();if (deleteflag){delete _pMutex;}}
private:T* _ptr;int* _count;mutex* _pMutex;};

std::shared_ptr的线程安全问题
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

  1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这 个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未 释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是 线程安全的。
  2. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题．
//下面代码我们使用SharedPtr演示，是为了方便演示引用计数的线程安全问题，
//将代码中的SharedPtr换成 shared_ptr进行测试，可以验证库的shared_ptr，发现结论是一样的。 
void sharedptrFunc(shared_ptr<Date>& sp,size_t n)
{cout<< sp.get()<<endl;for(size_t i = 0;i<n;i++){//这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的shared_ptr<Date> copy(sp);//这里智能指针的访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了 2n次 ，但最中的结果不一定是2ncopy->_year++;copy->_month++;copy->_day++; } 
}
int main()
{shared_ptr<Date> p(new Date);cout<< p.get()<<endl;const size_t n =100;thread t1(sharedptrFunc,p,n);thread t2(sharedptrFunc,p,n);t1.join();t2.join();cout<<p->_year<<endl;cout<<p->_month<<endl;cout<<p->_dat<<endl; return 0;}

std:: shared_ptr 循环引用
看下面的代码：

struct ListNode 
{    int _data;    shared_ptr<ListNode> _prev;    shared_ptr<ListNode> _next;~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; } };int main()
{shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);    cout << node1.use_count() << endl;    cout << node2.use_count() << endl;node1->_next = node2;    node2->_prev = node1;cout << node1.use_count() << endl;    cout << node2.use_count() << endl;return 0; 
}

循环引用分析：

  1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
  2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
  3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
  4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
  5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
  6. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2 成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
    在这里插入图片描述
// 解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了 
// 原理就是，node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加 node1和node2的引用计数
struct ListNode 
{    int _data;    weak_ptr<ListNode> _prev;    weak_ptr<ListNode> _next;~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; } };int main()
{shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);    cout << node1.use_count() << endl;    cout << node2.use_count() << endl;node1->_next = node2;    node2->_prev = node1;cout << node1.use_count() << endl;    cout << node2.use_count() << endl;return 0; 
}

如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题 （ps：删除器这个问题我们了解一下）

// 仿函数的删除器 
template<class T> 
struct FreeFunc 
{    void operator()(T* ptr)    {        cout << "free:" << ptr << endl;        free(ptr);} 
};template<class T> 
struct DeleteArrayFunc 
{void operator()(T* ptr){         cout << "delete[]" << ptr << endl;        delete[] ptr;}};int main() 
{    FreeFunc<int> freeFunc;   shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;    shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);return 0;
}

成功将malloc出来的资源释放：
在这里插入图片描述
3.C++11和boost中智能指针的关系

  1. C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
  2. C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
  3. C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
  4. C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的 scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。

这篇关于RAII ------- 智能指针-----------auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr 的使用原理、模拟实现、以及缺陷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！


http://www.chinasem.cn/article/463935。

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