C++11 智能指针（auto_ptr,unique_ptr,shared_ptr,weak_ptr 的详解与模拟实现）

2022-10-19
湖南
本文字数：5200 字
阅读完需：约 1 分钟

一:RAII 思想的介绍

概念：

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。
在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。

这种做法有两大好处：

不需要显式地释放资源。
采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

二：智能指针的原理

RAII 特性
重载 operator*和 opertaor->，具有像指针一样的行为。

在后续的模拟实现会清楚的看到

三：auto_ptr

auto_ptr 的实现原理：
管理权转移的思想

// C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中#include <memory>class Date{public:Date() { cout << "Date()" << endl;}~Date(){ cout << "~Date()" << endl;}int _year;int _month;int _day;};int main(){auto_ptr<Date> ap(new Date);auto_ptr<Date> copy(ap);// auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了// C++98中设计的auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptrap->_year = 2018;return 0;}

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通过调试：

我们发现当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了，当运行到ap->_year = 2018;时，就发生了空指针的访问，程序报错结束。

anto_ptr 模拟实现

template<class T>  class auto_ptr //交换管理权  {  public:    //构造函数    auto_ptr(T* ptr)      :_ptr(ptr)    {}
    auto_ptr( auto_ptr& ap)      :_ptr(ap._ptr)    {      ap._ptr = nullptr;    }
    T* operator ->()    {      return _ptr;    }    T& operator * ()    {      return *_ptr;    }
    ~auto_ptr()    {      if (_ptr)      {        delete _ptr;        _ptr = nullptr;        cout << "auto_ptr->析构了" << endl;      }    }    T* _ptr;  };

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四: unique_ptr

C++11 中开始提供更靠谱的 unique_ptr

int main(){unique_ptr<Date> up(new Date);// unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。unique_ptr<Date> copy(ap);return 0;}

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unique_ptr 的实现原理：简单粗暴的防拷贝

unique_ptr 模拟实现

//2.unique_ptr  template<class T>  class unique_ptr  //取消赋值和拷贝  {  public:    //构造函数    unique_ptr(T* ptr)      :_ptr(ptr)    {}
    unique_ptr(unique_ptr<T>& up) = delete;    unique_ptr<T>& operator = (unique_ptr<T>& up) = delete;
    T* operator ->()    {      return _ptr;    }    T& operator * ()    {      return *_ptr;    }
    ~unique_ptr()    {      if (_ptr)      {        delete _ptr;        _ptr = nullptr;        cout << "unique_ptr->析构了" << endl;      }    }    T* _ptr;  };

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五：shared_ptr

C++11 中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的 shared_ptr

int main(){// shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝shared_ptr<Date> sp(new Date);shared_ptr<Date> copy(sp);cout << "ref count:" << sp.use_count() << endl;cout << "ref count:" << copy.use_count() << endl;return 0;}

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hared_ptr 的原理：是通过引用计数的方式来实现多个 shared_ptr 对象之间共享资源。
例如：老师晚上在下班之前都会通知，让最后走的学生记得把门锁下。

shared_ptr 在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。**
如果引用计数是 0**，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；**
**如果不是 0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，**不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

shared_ptr 模拟实现

template<class T>  class shared_ptr  {  public:    //构造函数    shared_ptr(T* ptr)      :_ptr(ptr)      , _count (new int(1))      , _pm(new std::mutex)    {}
    shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)      :_ptr(sp._ptr)      , _count(sp._count)      , _pm(sp._pm)    {      Add_Count();    }
    shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)    {      if (_ptr != sp._ptr)      {        Release();
        _ptr = sp._ptr;        _count = sp._count;        _pm = sp._pm;
        Add_Count();      }    }
    //对_count的保护    void Add_Count()    {      _pm->lock();      (*_count)++;      _pm->unlock();    }
    void Release()    {      _pm->lock(); 
      bool flag = false;//判断锁是否释放
      if (--(*_count) == 0 && _ptr)      {        delete _ptr;        delete _count;        std::cout << "析构了" << std::endl;        flag = true;      }
      _pm->unlock();      if (flag)        delete _pm;    }
    //指针    T& operator*()    {      return *_ptr;    }    T* operator ->()    {      return _ptr;    }    //析构函数    ~shared_ptr()    {      Release();    }

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shared_ptr 的线程安全问题：

智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或--，这个操作不是原子的，引用计数原来是 1，++了两次，可能还是 2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、--是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。

所以我们引入了锁来解决这个问题：

六：weak_ptr

shared_ptr 的循环引用：

struct ListNode{int _data;shared_ptr<ListNode> _prev;shared_ptr<ListNode> _next;~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl;};int main(){shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);cout << node1.use_count() << endl;cout << node2.use_count() << endl;node1->_next = node2;node2->_prev = node1;cout << node1.use_count() << endl;cout << node2.use_count() << endl;return 0;}

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循环引用分析：

node1 和 node2 两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成 1，我们不需要手动 delete。
node1 的_next 指向 node2，node2 的_prev 指向 node1，引用计数变成 2。
node1 和 node2 析构，引用计数减到 1，但是_next 还指向下一个节点。但是_prev 还指向上一个节点。
也就是说_next 析构了，node2 就释放了。
_ 也就是说_prev 析构了，node1 就释放了。
_ 但是_next 属于 node 的成员，node1 释放了，_next 才会析构，而 node1 由_prev 管理，_prev 属于 node2 成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。

解决方案：
在引用计数的场景下，把节点中的_prev 和_next 改成 weak_ptr 就可以了

// 原理就是，node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。struct ListNode{int _data;weak_ptr<ListNode> _prev;weak_ptr<ListNode> _next;~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }};int main(){shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);cout << node1.use_count() << endl;cout << node2.use_count() << endl;node1->_next = node2;node2->_prev = node1;cout << node1.use_count() << endl;cout << node2.use_count() << endl;return 0;}

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七：删除器

如果不是 new 出来的对象如何通过智能指针管理呢？
其实 shared_ptr 设计了一个删除器来解决这个问题

// 仿函数的删除器template<class T>struct FreeFunc {void operator()(T* ptr){cout << "free:" << ptr << endl;free(ptr);}};template<class T>struct DeleteArrayFunc {void operator()(T* ptr){cout << "delete[]" << ptr << endl;delete[] ptr;}};int main(){FreeFunc<int> freeFunc;shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);return 0;}

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八：C++11 和 boost 中智能指针的关系

C++ 98 中产生了第一个智能指针 auto_ptr.
C++ boost 给出了更实用的 scoped_ptr 和 shared_ptr 和 weak_ptr.
C++ TR1，引入了 shared_ptr 等。不过注意的是 TR1 并不是标准版。
C++ 11，引入了 unique_ptr 和 shared_ptr 和 weak_ptr。需要注意的是 unique_ptr 对应 boost 的 scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考 boost 中的实现的。

九：RAII 扩展学习

RAII 思想除了可以用来设计智能指针，还可以用来设计守卫锁，防止异常安全导致的死锁问题

#include <thread>#include <mutex>// C++11的库中也有一个lock_guard，下面的LockGuard造轮子其实就是为了学习他的原理template<class Mutex>class LockGuard{public:LockGuard(Mutex& mtx):_mutex(mtx){_mutex.lock();}~LockGuard(){_mutex.unlock();}LockGuard(const LockGuard<Mutex>&) = delete;private:// 注意这里必须使用引用，否则锁的就不是一个互斥量对象Mutex& _mutex;};mutex mtx;static int n = 0;void Func(){for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i){LockGuard<mutex> lock(mtx);++n;}}int main(){int begin = clock();thread t1(Func);thread t2(Func);t1.join();t2.join();int end = clock();cout << n << endl;cout <<"cost time:" <<end - begin << endl;return 0;}

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十：整体代码的展示

#include<iostream>#include<thread>#include<mutex>#include<memory>using namespace std; namespace ymh{  //1.auto_ptr  template<class T>  class auto_ptr //交换管理权  {  public:    //构造函数    auto_ptr(T* ptr)      :_ptr(ptr)    {}
    auto_ptr( auto_ptr& ap)      :_ptr(ap._ptr)    {      ap._ptr = nullptr;    }
    T* operator ->()    {      return _ptr;    }    T& operator * ()    {      return *_ptr;    }
    ~auto_ptr()    {      if (_ptr)      {        delete _ptr;        _ptr = nullptr;        cout << "auto_ptr->析构了" << endl;      }    }    T* _ptr;  };
  //2.unique_ptr  template<class T>  class unique_ptr  //取消赋值和拷贝  {  public:    //构造函数    unique_ptr(T* ptr)      :_ptr(ptr)    {}
    unique_ptr(unique_ptr<T>& up) = delete;    unique_ptr<T>& operator = (unique_ptr<T>& up) = delete;
    T* operator ->()    {      return _ptr;    }    T& operator * ()    {      return *_ptr;    }
    ~unique_ptr()    {      if (_ptr)      {        delete _ptr;        _ptr = nullptr;        cout << "unique_ptr->析构了" << endl;      }    }    T* _ptr;  };
  template<class T>  class shared_ptr  {  public:    //构造函数    shared_ptr(T* ptr)      :_ptr(ptr)      , _count (new int(1))      , _pm(new std::mutex)    {}
    shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)      :_ptr(sp._ptr)      , _count(sp._count)      , _pm(sp._pm)    {      Add_Count();    }
    shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)    {      if (_ptr != sp._ptr)      {        Release();
        _ptr = sp._ptr;        _count = sp._count;        _pm = sp._pm;
        Add_Count();      }    }
    //对_count的保护    void Add_Count()    {      _pm->lock();      (*_count)++;      _pm->unlock();    }
    void Release()    {      _pm->lock(); 
      bool flag = false;//判断锁是否释放
      if (--(*_count) == 0 && _ptr)      {        delete _ptr;        delete _count;        std::cout << "析构了" << std::endl;        flag = true;      }
      _pm->unlock();      if (flag)        delete _pm;    }
    //指针    T& operator*()    {      return *_ptr;    }    T* operator ->()    {      return _ptr;    }    //析构函数    ~shared_ptr()    {      Release();    }  public:    T* _ptr;    int* _count;    std::mutex* _pm;  };}

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C++11 智能指针（auto_ptr,unique_ptr,shared_ptr,weak_ptr 的详解与模拟实现）

一:RAII 思想的介绍

二：智能指针的原理

三：auto_ptr

anto_ptr 模拟实现

四: unique_ptr

unique_ptr 模拟实现

五：shared_ptr

shared_ptr 模拟实现

六：weak_ptr

七：删除器

八：C++11 和 boost 中智能指针的关系

九：RAII 扩展学习

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