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C++智能指针的原理和实现
内容导读
互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了C++智能指针的原理和实现，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含12951字，纯文字阅读大概需要19分钟。
内容图文
一、智能指针起因
在C++中，动态内存的管理是由程序员自己申请和释放的，用一对运算符完成：new和delete。
new：在动态内存中为对象分配一块空间并返回一个指向该对象的指针；
delete：指向一个动态独享的指针，销毁对象，并释放与之关联的内存。
使用堆内存是非常频繁的操作，容易造成堆内存泄露、二次释放等问题，为了更加容易和更加安全的使用动态内存，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存，使得自动、异常安全的对象生存期管理可行。智能指针主要思想是RAII思想，“使用对象管理资源”，在类的构造函数中获取资源，在类的析构函数中释放资源。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象。
RAII是Resource Acquisition Is Initialization的简称，即资源获取就是初始化：
1.定义一个类来封装资源的分配与释放；
2.构造函数中完成资源的分配及初始化；
3.析构函数中完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放；
4.如果对象是用声明的方式在栈上创建局部对象，那么RAII机制就会正常工作，当离开作用域对象会自动销毁而调用析构函数释放资源。
二、智能指针类型
智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，标准命名std空间下，有auto_ptr、shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr四种，其中auto_ptr已被弃用。
auto_ptr：拥有严格对象所有权语义的智能指针；
shared_ptr：拥有共享对象所有权语义的智能指针；
weak_ptr：到 shared_ptr 所管理对象的弱引用；
unique_ptr：拥有独有对象所有权语义的智能指针。
2.1 auto_ptr
auto_ptr是通过由 new 表达式获得的对象，并在auto_ptr自身被销毁时删除该对象的智能指针，它可用于为动态分配的对象提供异常安全、传递动态分配对象的所有权给函数和从函数返回动态分配的对象，是一个轻量级的智能指针，适合用来管理生命周期比较短或者不会被远距离传递的动态对象，最好是局限于某个函数内部或者是某个类的内部。
声明：
template< class T > class auto_ptr;
template<> class auto_ptr<void>; // 对类型void特化
成员函数：
(1) get： 获得内部对象的指针；
(2) release：释放被管理对象的所有权，将内部指针置为空，返回内部对象的指针，此指针需要手动释放；
(3) reset：销毁内部对象并接受新的对象的所有权；
(4) operator=：从另一auto_ptr转移所有权；
(5) operator*和operator->：访问被管理对象。
注意事项：
(1) 其构造函数被声明为explicit，因此不能使用赋值运算符对其赋值，即不能使用类似这样的形式 auto_ptr<int> p = new int；
(2) auto_ptr 的对象所有权是独占性的，使用拷贝构造和赋值操作符时，会造成对象所有权的转移，被拷贝对象在拷贝过程中被修改；
(3) 基于第二条，因此不能将auto_ptr放入到标准容器中或作为容器的成员；
(4) auto_ptr不能指向数组，释放时无法确定是数组指针还是普通指针；
(5) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。
auto_ptr是最早期的智能指针，在C++11 中已被弃用，C++17 中移除，建议使用unique_ptr代替auto_ptr。
简单实现：
1 template<class T>
2 class AutoPointer
3 {
4 public:
5 AutoPointer(T* ptr)
6 :mPointer(ptr){}
7
8 AutoPointer(AutoPointer<T>& other)
9 {
10 mPointer= other.mPointer; //管理权进行转移
11 other.mPointer= NULL;
12 }
13
14 AutoPointer& operator = (AutoPointer<T>& other)
15 {
16 if(this != &other)
17 {
18 delete mPointer;
19 mPointer = other.mPointer; //管理权进行转移
20 other.mPointer= NULL;
21 }
22
23 return *this;
24 }
25
26 ~AutoPointer()
27 {
28 delete mPointer;
29 }
30
31 T& operator * ()
32 {
33 return *mPointer;
34 }
35
36 T* operator -> ()
37 {
38 return mPointer;
39 }
40
41 private:
42
43 T* mPointer;
44 };
2.2 shared_ptr
shared_ptr多个指针指向相同的对象，也叫共享指针。shared_ptr采用了引用计数的方式，更好地解决了赋值与拷贝的问题，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存，每拷贝一次内部的引用计数加1，每析构一次内部的引用计数减1，为0时自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取时需要加锁。
声明：
template< class T > class shared_ptr;
成员函数：
(1) get： 获得内部对象的指针；
(2) swap：交换所管理的对象；
(3) reset：替换所管理的对象；
(4) use_count：返回shared_ptr所指对象的引用计数；
(5) operator*和operator->：解引用存储的对象指针；
(6) operator=：对shared_ptr赋值；
(7) operator bool：检查是否有关联的管理对象；
(8) owner_before：提供基于拥有者的共享指针排序。
交换： std::swap(std::shared_ptr) 特化的swap算法用于交换两个智能指针。
初始化：通过构造函数传入指针初始化，也可以使用std::make_shared 或 std::allocate_shared 函数初始化。
注意事项：
(1) 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。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；
(2) 避免循环引用，这是shared_ptr的一个最大陷阱，导致内存泄漏，这一点在weak_ptr中将得到完善；
(3) 管理数组指针时，需要制定Deleter以使用delete[]操作符销毁内存，shared_ptr并没有针对数组的特化版本；
(4) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。
简单实现：
1 template <typename T>
2 class SharedPointer
3 {
4 private:
5
6 class Implement
7 {
8 public:
9 Implement(T* p) : mPointer(p), mRefs(1){}
10 ~Implement(){ delete mPointer;}
11
12 T* mPointer; //实际指针
13 size_t mRefs; // 引用计数
14 };
15
16 Implement* mImplPtr;
17
18 public:
19
20 explicit SharedPointer(T* p)
21 : mImplPtr(new Implement(p)){}
22
23 ~SharedPointer()
24 {
25 decrease(); // 计数递减
26 }
27
28 SharedPointer(const SharedPointer& other)
29 : mImplPtr(other.mImplPtr)
30 {
31 increase(); // 计数递增
32 }
33
34 SharedPointer& operator = (const SharedPointer& other)
35 {
36 if(mImplPtr != other.mImplPtr) // 避免自赋值
37 {
38 decrease();
39 mImplPtr = other.mImplPtr;
40 increase();
41 }
42
43 return *this;
44 }
45
46 T* operator -> () const
47 {
48 return mImplPtr->mPointer;
49 }
50
51 T& operator * () const
52 {
53 return *(mImplPtr->mPointer);
54 }
55
56 private:
57
58 void decrease()
59 {
60 if(--(mImplPtr->mRefs) == 0)
61 {
62 delete mImplPtr;
63 }
64 }
65
66 void increase()
67 {
68 ++(mImplPtr->mRefs);
69 }
70 };
2.3 weak_ptr
weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，用于专门解决shared_ptr循环引用的问题，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。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。
声明：
template< class T > class weak_ptr;
成员函数：
(1) swap：交换所管理的对象；
(2) reset：替换所管理的对象；
(3) use_count：返回shared_ptr所指对象的引用计数；
(4) operator=：对shared_ptr赋值；
(5) expired：检查被引用的对象是否已删除；
(6) owner_before：提供基于拥有者的共享指针排序；
(7) lock：创建管理被引用的对象的shared_ptr。
交换：std::swap(std::weak_ptr) 特化的swap算法用于交换两个智能指针。
注意事项：
(1) 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。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；
(2) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。
简单实现：weak_ptr的典型实现存储二个指针，即指向控制块的指针和作为构造来源的shared_ptr的存储指针。
以下是VC的源码实现：
1 template<class _Ty>
2 class weak_ptr
3 : public _Ptr_base<_Ty>
4 { // class for pointer to reference counted resource
5 typedef typename _Ptr_base<_Ty>::_Elem _Elem;
6
7 public:
8 weak_ptr()
9 { // construct empty weak_ptr object
10 }
11
12 template<class _Ty2>
13 weak_ptr(const shared_ptr<_Ty2>& _Other,
14 typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
15 void *>::type * = 0)
16 { // construct weak_ptr object for resource owned by _Other
17 this->_Resetw(_Other);
18 }
19
20 weak_ptr(const weak_ptr& _Other)
21 { // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
22 this->_Resetw(_Other);
23 }
24
25 template<class _Ty2>
26 weak_ptr(const weak_ptr<_Ty2>& _Other,
27 typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
28 void *>::type * = 0)
29 { // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
30 this->_Resetw(_Other);
31 }
32
33 ~weak_ptr()
34 { // release resource
35 this->_Decwref();
36 }
37
38 weak_ptr& operator=(const weak_ptr& _Right)
39 { // assign from _Right
40 this->_Resetw(_Right);
41 return (*this);
42 }
43
44 template<class _Ty2>
45 weak_ptr& operator=(const weak_ptr<_Ty2>& _Right)
46 { // assign from _Right
47 this->_Resetw(_Right);
48 return (*this);
49 }
50
51 template<class _Ty2>
52 weak_ptr& operator=(shared_ptr<_Ty2>& _Right)
53 { // assign from _Right
54 this->_Resetw(_Right);
55 return (*this);
56 }
57
58 void reset()
59 { // release resource, convert to null weak_ptr object
60 this->_Resetw();
61 }
62
63 void swap(weak_ptr& _Other)
64 { // swap pointers
65 this->_Swap(_Other);
66 }
67
68 bool expired() const
69 { // return true if resource no longer exists
70 return (this->_Expired());
71 }
72
73 shared_ptr<_Ty> lock() const
74 { // convert to shared_ptr
75 return (shared_ptr<_Elem>(*this, false));
76 }
77 };
2.4 unique_ptr
unique_ptr实际上相当于一个安全性增强了的auto_ptr。unique_ptr是通过指针占有并管理另一对象，并在unique_ptr离开作用域时释放该对象的智能指针。unique_ptr的使用标志着控制权的转移，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象，通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。
声明：
template< class T, class Deleter = std::default_delete<T> > class unique_ptr;
template< class T, class Deleter> class unique_ptr<T[], Deleter>; // 管理数组指针
成员函数：
(1) get： 返回指向被管理对象的指针；
(2) get_deleter：返回用于析构被管理对象7的删除器；
(3) swap：交换所管理的对象；
(4) reset：替换所管理的对象；
(5) release：返回一个指向被管理对象的指针，并释放所有权；
(6) operator bool：检查是否有关联的被管理对象；
(7) operator=：为unique_ptr赋值；
(8) operator*和operator->：解引用存储的对象指针。
注意事项：
(1) 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。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；
(2) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。
简单实现：
1 //default deleter for unique_ptr
2 template<typename T>
3 struct DefaultDeleter
4 {
5 void operator () (T *p)
6 {
7 if(p)
8 {
9 delete p;
10 p = NULL;
11 }
12 }
13 };
14
15 template<typename T, typename Deleter = DefaultDeleter<T>>
16 class unique_ptr
17 {
18 public:
19
20 // construct
21 unique_ptr(T *pT = NULL);
22
23 // destroy
24 ~unique_ptr();
25
26 private:
27
28 // not allow copyable
29 unique_ptr(const unique_ptr &);
30
31 unique_ptr&operator=(const unique_ptr &);
32
33 public:
34
35 // reset
36 void reset(T *p);
37
38 // release the own of the pointer
39 T* release();
40
41 // get the pointer
42 T* get();
43
44 // convert unique_ptr to bool
45 operator bool() const;
46
47 // overload for operator *
48 T& operator * ();
49
50 // overload for operator ->
51 T* operator -> ();
52
53 private:
54
55 T *m_pT; //pointer
56
57 Deleter m_deleter; //deleter
58
59 void del(); //call deleter
60 };
61
62
63 template<typename T, typename Deleter>
64 unique_ptr<T, Deleter>::unique_ptr(T *pT) :m_pT(pT)
65 {
66
67 }
68
69 template<typename T, typename Deleter>
70 unique_ptr<T, Deleter>::~unique_ptr()
71 {
72 del();
73 }
74
75 template<typename T, typename Deleter>
76 void unique_ptr<T, Deleter>::del()
77 {
78 if(*this)
79 {
80 m_deleter(m_pT);
81 m_pT = NULL;
82 }
83 }
84
85 template<typename T, typename Deleter>
86 T* unique_ptr<T, Deleter>::get()
87 {
88 return m_pT;
89 }
90
91 template<typename T, typename Deleter>
92 void unique_ptr<T, Deleter>::reset(T *p)
93 {
94 del();
95 m_pT = p;
96 }
97
98 template<typename T, typename Deleter>
99 T* unique_ptr<T, Deleter>::release()
100 {
101 T *p = m_pT;
102 m_pT = NULL;
103 return p;
104 }
105
106 template<typename T, typename Deleter>
107 unique_ptr<T, Deleter>::operator bool() const
108 {
109 return NULL != m_pT;
110 }
111
112 template<typename T, typename Deleter>
113 T& unique_ptr<T, Deleter>::operator * ()
114 {
115 return *m_pT;
116 }
117
118 template<typename T, typename Deleter>
119 T* unique_ptr<T, Deleter>::operator -> ()
120 {
121 return m_pT;
122 }
三、总结
智能指针就是模拟指针动作的类，一般智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针主要作用是管理动态内存的释放。
1.不要使用std::auto_ptr；
2.当你需要一个独占资源所有权的指针，且不允许任何外界访问，请使用std::unique_ptr；
3.当你需要一个共享资源所有权的指针，请使用std::shared_ptr；
4.当你需要一个能访问资源，但不控制其生命周期的指针，请使用std::weak_ptr；
5.不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理。
内容总结
以上是互联网集市为您收集整理的C++智能指针的原理和实现全部内容，希望文章能够帮你解决C++智能指针的原理和实现所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。
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