c++中的四种智能指针

2023-07-28 15:21:04

c++中的四种智能指针

写惯了python，golang再来写c++总觉得头大，很大一个原因就是他没有一个GC机制。

不过c++中提供了智能指针，也不是不能用，李姐万岁！

auto_ptr, shared_ptr, weak_ptr, unique_ptr 其中后三个是c++11支持，并且第一个已经被11弃用。

1.auto_ptr

这个指针采用了所有权的方式，

#include<memory>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    auto_ptr<string> p_s1(new string("this is  a string"));
    cout << *p_s1.get() << endl;
    auto_ptr<string> p_s2 = p_s1;
    cout << *p_s2.get() << endl;
    //cout << *p_s1.get() << endl;报错，此时s1已经没有所指向的内存的所有权
}

auto_ptr的缺点是：存在潜在的内存崩溃问题！

2.unique_ptr

unique_ptr同样是独占的，但unique_ptr还有更聪明的地方：当程序试图将一个 unique_ptr 赋值给另一个时，如果源 unique_ptr 是个临时右值，编译器允许这么做；如果源 unique_ptr 将存在一段时间，编译器将禁止这么做。

实在想赋值的话，可以用std::move()实现。

#include<memory>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    unique_ptr<string> p_s1(new string("this is  a string"));//临时右值是可以用来赋值的
    cout << *p_s1.get() << endl;
    //unique_ptr<string> p_s2 =p_s1;无法直接赋值
    unique_ptr<string> p_s2 = std::move(p_s1);
    cout << *p_s2.get() << endl;
}

3.shared_ptr

shared_ptr实现共享式拥有概念。多个智能指针可以指向相同对象，该对象和其相关资源会在“最后一个引用被销毁”时候释放。从名字share就可以看出了资源可以被多个指针共享，它使用计数机制(和python的垃圾回收机制也很像)来表明资源被几个指针共享。可以通过成员函数use_count()来查看资源的所有者个数。除了可以通过new来构造，还可以通过传入auto_ptr, unique_ptr,weak_ptr来构造，也可以通过make_shared函数或者通过构造函数传入普通指针。当我们调用release()时，当前指针会释放资源所有权，计数减一。当计数等于0时，资源会被释放。

shared_ptr 是为了解决 auto_ptr 在对象所有权上的局限性(auto_ptr 是独占的), 在使用引用计数的机制上提供了可以共享所有权的智能指针，其可以检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免非法访问。

4. weak_ptr

weak_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的 shared_ptr. weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak_ptr 设计的目的是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作, 它只可以从一个 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。

class B;
class A
{
public:
    shared_ptr<B> pb_;
    ~A()
    {
        cout << "A delete"<<pb_.use_count()<<endl;
    }
};
class B
{
public:
    shared_ptr<A> pa_;
    ~B()
    {
        cout << "B delete"<<pa_.use_count()<<endl;
    }
};
void fun()
{
    shared_ptr<B> pb(new B());
    shared_ptr<A> pa(new A());
    pb->pa_ = pa;
    pa->pb_ = pb;
    cout << pb.use_count() << endl;
    cout << pa.use_count() << endl;
}
int main()
{
    fun();
    return 0;
}

可以看到fun函数中pa ，pb之间互相引用，两个资源的引用计数为2，当要跳出函数时，智能指针pa，pb析构时两个资源引用计数会减一，但是两者引用计数还是为1，导致跳出函数时资源没有被释放（A B的析构函数没有被调用），如果把其中一个改为weak_ptr就可以了，我们把类A里面的shared_ptr pb_; 改为weak_ptr pb_; 运行结果如下，

1
2
B delete1
A delete0

这样的话，资源B的引用开始就只有1，当pb析构时，B的计数变为0，B得到释放，B释放的同时也会使A的计数减一，同时pa析构时使A的计数减一，那么A的计数为0，A得到释放。

注意的是我们不能通过weak_ptr直接访问对象的方法，比如B对象中有一个方法print(),我们不能这样访问，pa->pb_->print(); 英文pb_是一个weak_ptr，应该先把它转化为shared_ptr,如：shared_ptr p = pa->pb_.lock(); p->print();

改后如下

class B;
class A
{
public:
    weak_ptr<B> pb_;
    ~A()
    {
        cout << "A delete"<<pb_.use_count()<<endl;
    }
    
};
class B
{
public:
    shared_ptr<A> pa_;
    ~B()
    {
        cout << "B delete"<<pa_.use_count()<<endl;
    }
    void func() {
        cout << "this is print" << endl;
    }
};
void fun()
{
    
    shared_ptr<A> pa(new A());
    shared_ptr<B> pb(new B());
    pb->pa_ = pa;
    pa->pb_ = pb;
    cout << pb.use_count() << endl;
    cout << pa.use_count() << endl;
    (*(*pa).pb_.lock()).func();
}
int main()
{
    fun();
    return 0;
}

输出如下

1
2
this is print
B delete2
A delete

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