C++--智能指针

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前言

C语言中最重要的也是最难的地方就是指针,C++中指针也是非常重要且非常难的一个知识。智能指针也是C11之后的新的指针特性。因为C++没有自动回收机制,每次new出来的内存,还需要自己去delete,有时候会忘记,没有delete,导致程序出现错误。

一、智能指针

智能指针的行为类类似普通指针,但重要的是,智能指针自动释放所指向的对象(主要利用栈对象的有限作用域以及临时对象,析构函数释放内存)。标准库提供的两种指针的底层实现不同,shared_ptr允许多个指针指向同一个对象,unique_ptr独占所指向的对象。还有一种weak_ptr的伴随类,它是一种弱引用,指向shared_ptr所管理的对象,这三种指针都定义在memory的头文件上。

二、智能指针的作用

1.从浅层看看,智能指针是利用一种叫RAII(资源获取即初始化)的技术对普通的指针进行封装,这使得智能指针实质是一个对象,行为上却像一个指针。
2.智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的,多次释放同一个指针会造成程序崩溃,这些都可以通过智能指针来解决。
3.智能指针还可以把值语义转换成引用语义。

三、智能指针的使用

1.shared_ptr

<1> shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数,每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存,每使用一次,内部的引用计数加1,每析构一次,内部引用计数减1,减为零时,自动删除所指向的堆内存。shared_ptr的内部引用计数是线程安全的,但是对象的读取需要加锁。
<2>初始化。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。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针,一个是类,一个是指针。
<3>拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1,赋值使得原对象引用计数减1,当计数为0时,自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1,指向后来的对象。
<4>get函数获取原始的指针。
<5>不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr,否则会出现二次释放同一内存。
<6>一定要避免循环引用,shared_ptr的最大陷阱就是循环引用,循环引用会导致堆内存无法正确释放,导致内存泄露。

2.unique_ptr

<1>unique_ptr唯一拥有其所指对象,同一时刻只能有一个unique_ptr指定给对象(通过禁止拷贝语义,只能移动语义来实现)。shared_ptr利用RAII的特性,使得再出现异常的情况下,动态资源得到释放。<2>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。在离开时,如果指向其对象,则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符,用户可以指定其他操作)
<3>unique_ptr指针和它所指的对象关系:在智能指针生命周期内,可以改变智能指针所指对象,如创建智能指针时通过构造函数指定,通过reset方法重新指定,通过release方法释放所有权,通过移动语义转移所有权。

3.weak_ptr

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。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。

总结

以上就是我认为智能指针最重要的知识,还有一点就是,在有智能指针的代码中,不要出现delete关键字(C语言的free函数),因为可以用智能指针去管理。

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