C++ 智能指针

2023-11-29 22:26:04

C++ 智能指针

unique_ptr

大概长这个样子

//大概长这个样子（化简版）
template<class T>
class unique_ptr{
　　T* ptr;
};

unique_ptr是独占性智能指针，

某个时刻只能有一个uniqueptr指向一个给定对象；
当uniqueptr被销毁时，它所指向的对象也被销毁（自动对所指向对象调用delete）；
uniqueptr不支持普通的拷贝和赋值操作；
如果真的需要转移所有权（独占权），需要用std::move(std::unique_ptr对象)语法，转移所有权后如果仍使用原有指针调用会导致崩溃。

例如：

class Movie {
    public:
        Movie(string name) {
            this->name = name; 
            cout << "let's watch moive " << name << endl;
        }   
        ~Movie() {cout << "movie " << name << " end" << endl;}
        void getName() {cout<< "name=" << name << endl;}

    private:
        string name;
};

void test_unique_ptr() {
    unique_ptr<Movie> p1(new Movie("ne za"));
    unique_ptr<Movie> p2(new Movie("the lord of the ring"));
        
    //unique_ptr<Movie> p3 = p1;  // Error! 不支持赋值操作
    unique_ptr<Movie> p3 = move(p1); 

    //p1->getName();    // Error! 转移给p3以后，p1不再指向原对象
    p3->getName();
}

也可以用release方法来转移对象所有权，例如：

void test_unique_ptr2() {
    unique_ptr<Movie> p1(new Movie("ne za"));
    unique_ptr<Movie> p2(new Movie("the lord of the ring"));
    
    p2.reset(p1.release());
    if (p1 == nullptr) {
        cout << "p1 is nullptr" << endl;
    }   
    p2.reset();
    if (p2 == nullptr) {
        cout << "p2 is nullptr" << endl;
    }   
}

p1.release() 方法转移其对象控制权（但并不会释放对象），并将p1赋空；

p1.reset(p2) 方法释放p1指向的对象，并重新指向p2所指向的对象；

p1.reset() 方法释放p1指向的对象，并赋空；

shared_ptr

shared_ptr 是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。

大概长这个样子

//大概长这个样子（化简版）
struct SharedPtrControlBlock{
　　int shared_count;
};

template<class T>
class shared_ptr{
　　T* ptr;
　　SharedPtrControlBlock* count;
};

每次复制，多一个共享同处资源的shared_ptr时，计数+1；每次释放shared_ptr时，计数-1。

当shared计数为0时，则证明所有指向同一处资源的shared_ptr们全都释放了，则随即释放该资源（哦，还会释放new出来的SharedPtrControlBlock）。

初始化方式如下：

shared_ptr<T> ptr(new T(), deleter);　　// deleter 是自定义释放器，可以不传
auto ptr = std::make_shared<T>()

一个例子：

void test_shared_ptr() {
    shared_ptr<Movie> p1(new Movie("ne za"));   // count = 1
    do {shared_ptr<Movie> p2 = p1;} while(0);   // count先加后减
    shared_ptr<Movie> p3 = p1;  // count = 2
    p1.reset();                 // count = 1
    //p3 = nullptr;             // count = 0
    cout << "test_shared_ptr " << endl;
}

如果把上面p3=nullptr这行的注释去掉，则会在这里导致计数器变0，从而引发对象的释放。

shared_ptr类提供的成员方法：

get()，返回所指向的对象(指针)
reset()，放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少
use_count()，返回引用计数的个数
unique()，返回是否是独占所有权( use_count 为 1)
swap()，交换两个 shared_ptr 对象

循环引用的情况：

class Movie {
    public:
        Movie(string name) {
            this->name = name;
            cout << "let's watch moive " << name << endl;
        }
        ~Movie() {cout << "movie " << name << " end" << endl;}
        void getName() {cout<< "name=" << name << endl;}
        void setRelative(shared_ptr<Movie>& other) {
            relative_movie = other;
        }

    private:
        string name;
        shared_ptr<Movie> relative_movie;
};


void test_shared_ptr2() {
    shared_ptr<Movie> p1(new Movie("ne za"));
    shared_ptr<Movie> p2(new Movie("the lord of the ring")); 
    p1->setRelative(p2);
    p2->setRelative(p1);
    cout<<p1.use_count()<<endl; // 2
    cout<<p2.use_count()<<endl; // 2
}

上面的 test_shared_ptr2 函数执行完毕后，两个Movie对象析构函数都没有打印，也就是没有被释放。
模拟下代码流程：

开始，两个Movie对象的计数都为2；
p2指针退出栈，p2指向的Movie("the lord of the ring")计数器减为1；
p1指针退出栈，p1指向的Movie("ne ze")计数器减为1；
函数退出，两个对象的计数都为1，都不会释放；

为了解决这个问题，引入了weak_ptr指针。

weak_ptr

weak_ptr是一种不控制所指向对象生命周期的智能指针，它指向一个shared_ptr管理的对象。

大概长这个样子：

struct SharedPtrControlBlock{
　　int shared_count;
　　int weak_count;
};

template<class T>
class weak_ptr{
　　T* ptr;
　　SharedPtrControlBlock* count;
};

特点

weak_ptr可以由一个shared_ptr，或者另一个weak_ptr构造；
weak_ptr的构造和析构不会引起shared_count的增加或减少，只会引起weak_count的增加或减少；
当shared计数为0，会释放被管理资源，也就是说weak_ptr不控制资源的生命周期；
计数区域的释放却取决于shared计数和weak计数，当两者均为0时，才会释放计数区域。

例子

class Movie {
    public:
        Movie(string name) {
            this->name = name;
            cout << "let's watch moive " << name << endl;
        }
        ~Movie() {cout << "movie " << name << " end" << endl;}
        void getName() {cout<< "name=" << name << endl;}
        void setRelative(shared_ptr<Movie>& other) {
            relative_movie = other;
        }

    private:
        string name;
        weak_ptr<Movie> relative_movie;
};


void test_weak_ptr() {
    shared_ptr<Movie> p1(new Movie("ne za"));
    shared_ptr<Movie> p2(new Movie("the lord of the ring"));
    p1->setRelative(p2);
    p2->setRelative(p1);
    cout<<p1.use_count()<<endl; // 1
    cout<<p2.use_count()<<endl; // 1
}

这个例子，两个对象都能够被释放；

同样也模拟下代码流程：

开始，两个Movie对象的shared计数都为1，weak计数也为1；
p2指针退出栈，p2指向的Movie("the lord of the ring")的shared计数器减为0，weak计数仍为1，资源释放，同时由于p2->relation_movie指向的Movie("ne ze")也被释放引起该资源的weak计数减为0；
p1指针退出栈，p1指向的Movie("ne za")的shared计数器减为0，weak计数仍为1，资源释放，同时由于p1->relation_movie指向的Movie("the lord of the ring")也被释放引起该资源的weak计数减为0；
函数退出，两个对象的weak计数都为0，释放计数区域；

另外，weak指针没有重载 * 和 -> ，所以并不能直接使用资源，但可以对weak指针调用lock方法，会返回一个shared_ptr指针。

void test_weak_ptr2() {
    shared_ptr<Movie> p1(new Movie("ne za"));
    weak_ptr<Movie> p2 = p1; 
    //p2->getName();  // Erorr!
    shared_ptr<Movie> p3 = p2.lock();
    p3->getName();  
}

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