c++11之智能指针

简介: c++11之智能指针

使用c++,除了c++的语法外,指针是我们面临的最的大一个问题,由于使用不当就会导致程序意外退出,或着内存的占用越来越多,总结起来这些错误由以下三个原因造成。

       1 野指针:指针指向的内存已经被释放,但是我们还在使用该指针,或者还在使用之前指向的指针,此时程序会崩溃,也有可能导致已经释放的内存被重新分配给程序使用,造成意想不到的后果。

       2 重复释放:程序尝试释放已经被释放的内存单元,或者释放已经被重新分配过的内存单元,会导致重复释放错误。

       3 内存泄漏:不需要的内存单元没有释放,一旦程序一直在重复这样的操作,会导致程序的内存占用月来越高。

      虽然显示的手动管理内存,给程序的内存管理带来了很大的自由度,可以高效的利用系统的内存,但是也是非常容易出错的,随着多线程程序的出现和广泛使用,这样的问题会更加严重,因此c++11通过智能指针来摆脱显示的内存管理,标准库还实现了‘最小垃圾回收’的支持。

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      c++11中通过unique_ptr,shared_ptr和weak_ptr等智能指针来实现自动释放堆内存。

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#include <memory>
#include <iostream>

using namespace std ;

struct Test {
int a ;
};
class Demo {
public:
Demo () {
b = new Test ();
std :: cout << "Demo ()" << std :: endl ;
}
~ Demo () {
std :: cout << "~Demo ()" << std :: endl ;
}
void Say () {
std :: cout << "Dem::Say()==>" << b -> a << std :: endl ;
}
public:
Test * b ;
};

int main ()
{
std :: cout << "////////////////unique_ptr///////////////////////" << std :: endl ;
////////////////unique_ptr///////////////////////
unique_ptr < Demo > unique_ptr_demo1 ( new Demo );
unique_ptr_demo1 -> Say ();
// unique_ptr<Demo> unique_ptr_demo2 = unique_ptr_demo1; //无法通过编译
Demo demo2 = * unique_ptr_demo1 ;

unique_ptr < Demo > unique_ptr_demo3 = move ( unique_ptr_demo1 );
unique_ptr_demo3 -> Say ();
// Demo demo5 = *unique_ptr_demo1; //运行时错误
//
////////////////shared_ptr///////////////////////
std :: cout << "////////////////shared_ptr///////////////////////" << std :: endl ;
shared_ptr < Demo > shared_ptr_demo1 ( new Demo ());
shared_ptr_demo1 -> Say ();
// shared_ptr_demo1.reset();
shared_ptr < Demo > shared_ptr_demo2 = shared_ptr_demo1 ;
shared_ptr_demo1 . reset ();
// shared_ptr_demo2.reset(); //运行时错误2
shared_ptr_demo2 -> Say ();
return 0 ;
}


        这里我们可以看到不用我们手动释放指针指向的内存,编译器会帮我们释放该内存,对于析构函数的三次调用,分别对应unique_ptr_demo3,demo2和shared_ptr_demo1.

我们主要看unique_ptr和shared_ptr的区别,unique_ptr跟所指对象的内存紧紧的绑定在一起,不和其他的指针共享其指向的内存(例子中:无法通过编译的注释),也就是说unique_ptr不能赋值给别的unique_ptr,更深的讲,实际上unique_ptr的拷贝构造函数被删除,所以我们不能赋值。但是我们可以通过move语义来窃取unique_ptr的内存,但是要注意注释:运行时错误,我们窃取了内存后,该指针就不能在使用了,因为他指向的内存已经被偷走了,特别是当它的成员变量中有指针时,会造成程序崩溃。

       shared_ptr可以赋值,允许多个shared_ptr共享一块内存,它采用了引用计数的内存管理方式,因此当它放弃了所有权时并不会释放内存,不回影响其他引用这块内存的指针,只有当引用计数变为0时才会释放内存。我们可以看到例子中 shared_ptr_demo1.reset();并没有影响shared_ptr_demo2(注:shared_ptr_demo1.reset的注释此处会彻底释放内存,shared_ptr_demo2会成为一个空指针)所以当我们通过reset显示的来销毁指针时,当引用计数没有为0时只是把指针设置成nullptr而已。因此既然编辑器会帮我们管理内存,如果不是特殊需求,就不要去显示的调用reset函数来释放销毁指针。

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#include <memory>
#include <iostream>

using namespace std ;

class Demo {
public:
void Say () {
std :: cout << "Demo" << std :: endl ;
}
};

template < class T >
void CheckPtrIsValid ( weak_ptr < T >& temp ) {
shared_ptr < T > demo = temp . lock ();
if ( demo != nullptr ) {
std :: cout << "ptr is good" << std :: endl ;
} else {
std :: cout << "ptr is null" << std :: endl ;
}
}

int main ()
{
shared_ptr < Demo > shared_ptr_demo1 ( new Demo ());
shared_ptr < Demo > shared_ptr_demo2 = shared_ptr_demo1 ;
weak_ptr < Demo > weak_ptr_demo1 = shared_ptr_demo1 ;
CheckPtrIsValid ( weak_ptr_demo1 );

shared_ptr_demo1 -> Say ();
shared_ptr_demo2 -> Say ();
shared_ptr_demo1 . reset ();
CheckPtrIsValid ( weak_ptr_demo1 );

shared_ptr_demo2 . reset ();
CheckPtrIsValid ( weak_ptr_demo1 );
return 0 ;
}


     最后说道weak_ptr,它的作用不同于以上两种,官方说法是它可以指向shared_ptr指向的内存,但不拥有该内存,当调用lock时可以返回指向内存的shared_ptr,上面的例子中有一个检查指针是否有效的函数,我们可以看到当我们两次调用reset释放指针使得内存引用计数变为0,释放内存。这里是2次,而不是三次就非常明确的证明了,weak_ptr并没有增加引用计数,也就是说并没有拥有该内存。

说到这里,我们也应该感觉到我们使用最多的应该是shared_ptr了,只有在我们需要一个指针独占一块内存是才会用到unique _ptr,而weak_ptr在必要的时候可以用来监测shared_ptr指向的内存是否有效,这是一个非常重要且有意义的用法。

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