智能指针-使用、避坑和实现

智能指针-使用、避坑和实现

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在上篇文章(​​内存泄漏-原因、避免以及定位​​​)中，我们提到了用​​智能指针​​​来避免内存泄漏，今天借助本文，从​​实践​​​、​​避坑​​​和​​实现原理​​三个角度分析下C++中的智能指针。

本文主要内容如下图所示：

智能指针的由来auto_ptr为什么被废弃unique_ptr的使用、特点以及实现shared_ptr的使用、特点以及实现weak_ptr的使用、特点以及实现介绍笔者在工作中遇到的一些职能指针相关的坑，并给出一些建议

背景

内存的分配与回收都是由开发人员在编写代码时主动完成的，好处是内存管理的开销较小，程序拥有更高的执行效率；弊端是依赖于开发者的水平，随着代码规模的扩大，极容易遗漏释放内存的步骤，或者一些不规范的编程可能会使程序具有安全隐患。如果对内存管理不当，可能导致程序中存在内存缺陷，甚至会在运行时产生内存故障错误。换句话说，开发者自己管理内存，最容易发生下面两种情况：

申请了内存却没有释放，造成内存泄漏使用已经释放的内存，造成​​segment fault​​

所以，为了在保证性能的前提下，又能使得开发者不需要关心内存的释放，进而使得开发者能够将更多的精力投入到业务上，自C++11开始，STL正式引入了智能指针。

所有权

智能指针一个很关键的一个点就是​​是否拥有一个对象的所有权​​，当我们通过std::make_xxx或者new一个对象，那么就拥有了这个对象的所有权。

所有权分为​​独占所有权​​​、​​共享所有权​​​以及​​弱共享所有权​​三种。

独占所有权

顾名思义，独占该对象。独占的意思就是​​不共享​​​，所有权可以转移，但是转移之后，所有权也是独占。​​auto_ptr和unique_ptr​​就是一种独占所有权方式的智能指针。

假设有个Object对象，如果A拥有该对象的话，就需要保证其在不使用该对象的时候，将该对象释放；而此时如果B也想拥有Object对象，那么就必须先让A放弃该对象所有权，然后B独享该对象，那么该对象的使用和释放就只归B所有，跟A没有关系了。

独占所有权具有以下几个特点：

如果创建或者复制了某个对象，就拥有了该对象如果没有创建对象，而是将对象保留使用，同样拥有该对象的所有权如果你拥有了某个对象的所有权，在不需要某一个对象时，需要释放它们

共享所有权

共享所有权，与独占所有权正好相反，对某个对象的所有全可以共享。​​shared_ptr​​就是一种共享所有权方式的智能指针。

假设此时A拥有对象Object，在没有其它拥有该对对象的情况下，对象的释放由A来负责；如果此时B也想拥有该对象，那么对象的释放由最后一个拥有它的来负责。

举一个我们经常遇到的例子，socket连接，多个发送端(sender)可以使用其发送和接收数据。

弱共享所有权

弱共享所有权，指的是可以使用该对象，但是没有所有权，由真正拥有其所有权的来负责释放。​​weak_ptr​​就是一种弱共享所有权方式的智能指针。

分类

在C++11中，有​​unique_ptr​​​、​​shared_ptr​​​以及​​weak_ptr​​​三种，auto_ptr因为自身​​转移所有权​​​的原因，在C++11中被​​废弃​​(本节最后，将简单说下被废弃的原因)。

unique_ptr

使用上限制最多的一种智能指针，被用来取代之前的auto_ptr，一个对象只能被一个unique_ptr所拥有，而不能被共享，如果需要将其所拥有的对象转移给其他unique_ptr，则需要使用move语义

shared_ptr

与unique_ptr不同的是，unique_ptr是​​独占管理权​​​，而shared_ptr则是​​共享管理权​​，即多个shared_ptr可以共用同一块关联对象，其内部采用的是引用计数，在拷贝的时候，引用计数+1，而在某个对象退出作用域或者释放的时候，引用计数-1，当引用计数为0的时候，会自动释放其管理的对象。

weak_ptr

weak_ptr的出现，主要是为了解决shared_ptr的​​循环引用​​，其主要是与shared_ptr一起来私用。和shared_ptr不同的地方在于，其并不会拥有资源，也就是说不能访问对象所提供的成员函数，不过，可以通过weak_ptr.lock()来产生一个拥有访问权限的shared_ptr。

auto_ptr

auto_ptr自C++98被引入，因为其存在较多问题，所以在c++11中被废弃，自C++17开始正式从STL中移除。

首先我们看下auto_ptr的简单实现(为了方便阅读，进行了修改，基本功能类似于std::auto_ptr)：

template class auto_ptr { T* p; public: auto_ptr(T* s) :p(s) {} ~auto_ptr() { delete p; } auto_ptr(auto_ptr& a) { p = a.p; a.p = NULL; } auto_ptr& operator=(auto_ptr& a) { delete p; p=a.p; a.p = NULL; return *this; } T& operator*() const { return *p; } T* operator->() const { return p; } };

从上面代码可以看出，auto_ptr采用​​copy​​语义来转移所有权，转移之后，其关联的资源指针设置为NULL，而这跟我们理解上copy行为不一致。

在<< Effective STL >>第8条，作者提出​​永不建立auto_ptr的容器​​，并以一个例子来说明原因，感兴趣的可以去看看这本书，还是不错的。

实际上，auto_ptr被废弃的直接原因是​​拷贝造成所有权转移​​，如下代码：

auto_ptr a(new ClassA);auto_ptr b = a;a->Method();

在上述代码中，因为​​b = a​​导致所有权被转移，即a关联的对象为NULL，如果再调用a的成员函数，显然会造成coredump。

正是因为​​拷贝导致所有权被转移​​，所以auto_ptr使用上有很多限制：

不能在STL容器中使用，因为复制将导致数据无效一些STL算法也可能导致auto_ptr失效，比如std::sort算法不能作为函数参数，因为这会导致复制，并且在调用后，导致原数据无效如果作为类的成员变量，需要注意在类拷贝时候导致的数据无效

正是因为auto_ptr的诸多限制，所以自C++11起，废弃了auto_ptr，引入unique_ptr。

unique_ptr

unique_ptr是C++11提供的用于防止内存泄漏的智能指针中的一种实现(用来替代auto_ptr)，独享被管理对象指针所有权的智能指针。

unique_ptr对象包装一个原始指针，并负责其生命周期。当该对象被销毁时，会在其析构函数中删除关联的原始指针。具有->和*运算符重载符，因此它可以像普通指针一样使用。

分类

unique_ptr分为以下两种：

指向单个对象

std::unique_ptr p1; // p1关联Type对象

指向一个数组

unique_ptr p2; // p2关联Type对象数组

特点

在前面的内容中，我们已经提到了unique_ptr的特点，主要具有以下：

独享所有权，在作用域结束时候，自动释放所关联的对象

void fun() { unique_ptr a(new int(1));}

无法进行拷贝与赋值操作

unique_ptr ptr(new int(1));unique_ptr ptr1(ptr) ; // errorunique_ptr ptr2 = ptr; //error

显示的所有权转移(通过move语义)

unique_ptr ptr(new int(1));unique_ptr ptr1 = std::move(ptr) ; // ok

作为容器元素存储在容器中

unique_ptr ptr(new int(1));std::vector> v;v.push_back(ptr); // errorv.push_back(std::move(ptr)); // okstd::cout << *ptr << std::endl;// error

需要注意的是，自c++14起，可以使用下面的方式对unique_ptr进行初始化：

auto p1 = std::make_unique(3.14);auto p2 = std::make_unique(n);

如果在c++11中使用上述方法进行初始化，会得到下面的错误提示:

error: ‘make_unique’ is not a member of ‘std’

因此，如果为了使得c++11也可以使用std::make_unique，我们可以自己进行封装，如下：

namespace details {#if __cplusplus >= 201402L // C++14及以后使用STL实现的using std::make_unique;#elsetemplatestd::unique_ptr make_unique(Args &&... args){ return std::unique_ptr(new T(std::forward(args)...));}#endif} // namespace details

使用

为了尽可能了解unique_ptr的使用姿势，我们使用以下代码为例：

#include #include // std::movevoid fun1(double *);void fun2(std::unique *);void fun3(std::unique &);void fun4(std::unique );int main() { std::unique_ptr p(new double(3.14)); fun1(p.get()); fun2(&p); fun3(p); if (p) { std::cout << "is valid" << std::endl; } auto p2(p.release()); // 转移所有权 auto p2.reset(new double(1.0)); fun4(std::move(p2)); return 0;}

上述代码，基本覆盖了常见的unique_ptr用法：

第10行，通过new​​创建​​一个unique_ptr对象第11行，通过get()函数获取其关联的​​原生指针​​第12行，通过unique_ptr对象的​​指针​​进行访问第13行，通过unique_ptr对象的​​引用​​进行访问第16行，通过if(p)来判断其是否​​有效​​第18行，通过release函数​​释放所有权​​​，并将所有权进行​​转移​​第19行，通过reset​​释放​​​之前的原生指针，并​​重新关联​​一个新的指针第20行，通过std::move​​转移​​所有权

简单实现

基本代码如下：

template class unique_ptr { T* p; public: unique_ptr() :p() {} unique_ptr(T* s) :p(s) {} ~unique_ptr() { delete p; } unique_ptr(const unique_ptr&) = delete; unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete; unique_ptr(unique_ptr&& s) :p(s.p) { s.p = nullptr } unique_ptr& operator=(unique_ptr s) { delete p; p = s.p; s.p=nullptr; return *this; } T* operator->() const { return p; } T& operator*() const { return *p; } };

从上面代码基本可以看出，unique_ptr的控制权转移是通过move语义来实现的，相比于auto_ptr的拷贝语义转移所有权，更为合理。

shared_ptr

unique_ptr因为其局限性(独享所有权)，一般很少用于多线程操作。在多线程操作的时候，既可以共享资源，又可以自动释放资源，这就引入了shared_ptr。

shared_ptr为了支持跨线程访问，其内部有一个引用计数(线程安全)，用来记录当前使用该资源的shared_ptr个数，在结束使用的时候，引用计数为-1，当引用计数为0时，会自动释放其关联的资源。

特点

相对于unique_ptr的独享所有权，shared_ptr可以共享所有权。其内部有一个引用计数，用来记录共享该资源的shared_ptr个数，当共享数为0的时候，会自动释放其关联的资源。

shared_ptr不支持数组，所以，如果用shared_ptr指向一个数组的话，需要自己手动实现deleter，如下所示：

std::shared_ptr p(new int[8], [](int *ptr){delete []ptr;});

使用

仍然以一段代码来说明，毕竟代码更有说服力。

#include #include int main() { // 创建shared_ptr对象 std::shared_ptr p1 = std::make_shared(); *p1 = 78; std::cout << "p1 = " << *p1 << std::endl; // 打印引用计数 std::cout << "p1 Reference count = " << p1.use_count() << std::endl; std::shared_ptr p2(p1); // 打印引用计数 std::cout << "p2 Reference count = " << p2.use_count() << std::endl; std::cout << "p1 Reference count = " << p1.use_count() << std::endl; if (p1 == p2) { std::cout << "p1 and p2 are pointing to same pointer\n"; } std::cout<<"Reset p1 "<

输出如下：

p1 = 78p1 Reference count = 1p2 Reference count = 2p1 Reference count = 2p1 and p2 are pointing to same pointerReset p1 p1 Reference Count = 0p1 Reference Count = 1p1 Reference Count = 0p1 is NULL

上面代码基本罗列了shared_ptr的常用方法，对于其他方法，可以参考源码或者官网。

线程安全

可能很多人都对shared_ptr是否线程安全存在疑惑，借助本节，对线程安全方面的问题进行分析和解释。

shared_ptr的线程安全问题主要有以下两种：

​​引用计数​​的加减操作是否线程安全shared_ptr修改指向时是否线程安全

引用计数

shared_ptr中有两个指针，一个​​指向所管理数据的地址​​​，另一个一个指向​​执行控制块的地址​​。

执行控制块包括对​​关联资源的引用计数​​​以及​​弱引用计数​​等。在前面我们提到shared_ptr支持跨线程操作，引用计数变量是存储在堆上的，那么在多线程的情况下，指向同一数据的多个shared_ptr在进行计数的++或--时是否线程安全呢？

引用计数在STL中的定义如下：

_Atomic_word _M_use_count; // #shared_Atomic_word _M_weak_count; // #weak + (#shared != 0)

当对shared_ptr进行拷贝时，引入计数增加，实现如下：

template<> inline void _Sp_counted_base<_S_atomic>:: _M_add_ref_lock() { // Perform lock-free add-if-not-zero operation. _Atomic_word __count; do { __count = _M_use_count; if (__count == 0) __throw_bad_weak_ptr(); } while (!__sync_bool_compare_and_swap(&_M_use_count, __count, __count + 1)); }

最终，计数的增加，是调用​​__sync_bool_compare_and_swap​​​实现的，而该函数是线程安全的，因此我们可以得出结论：​​在多线程环境下，管理同一个数据的shared_ptr在进行计数的增加或减少的时候是线程安全的，这是一波原子操作​​。

修改指向

修改指向分为​​操作同一个对象​​和操作不同对象两种。

同一对象

以下面代码为例：

void fun(shared_ptr &p) { if (...) { p = p1; } else { p = p2; }}

当在多线程场景下调用该函数时候，p之前的引用计数要进行-1操作，而p1对象的引用计数要进行+1操作，虽然这俩的引用计数操作都是线程安全的，但是对这俩对象的引用计数的操作在一起时候却​​不是线程安全的​​​。这是因为当对p1的引用计数进行+1时候，恰恰前一时刻，p1的对象被释放，后面再进行+1操作，会导致​​segment fault​​。

不同对象

代码如下：

void fun1(std::shared_ptr &p) { p = p1;}void fun2(std::shared_ptr &p) { p = p2;}int main() { std::shared_ptr p = std::make_shared(); auto p1 = p; auto p2 = p; std::thread t1(fun1, p1); std::thread t2(fun2, p2); t1.join(); t2.join(); return 0;}

在上述代码中，p、p1、p2指向同一个资源，分别有两个线程操作不同的shared_ptr对象(虽然关联的底层资源是同一个)，这样在多线程下，只对p1和p2的引用计数进行操作，不会引起segment fault，所以是线程安全的。

同一个shared_ptr被多个线程​​同时读​​是安全的同一个shared_ptr被多个线程同时​​读写​​是不安全的

简单实现

记得之前看过一个问题​​为什么引用计数要new​​​，这个问题我在面试的时候也问过，很少有人能够回答出来，其实，很简单，因为​​要支持多线程​​访问，所以只能要new呀????。

代码如下：

template class weak_ptr;class Counter { public: Counter() = default; int s_ = 0; // shared_ptr的计数 int w_ = 0; // weak_ptr的计数};template class shared_ptr { public: shared_ptr(T *p = 0) : ptr_(p) { cnt_ = new Counter(); if (p) { cnt_->s_ = 1; } } ~shared_ptr() { release(); } shared_ptr(shared_ptr const &s) { ptr_ = s.ptr_; (s.cnt)->s_++; cnt_ = s.cnt_; } shared_ptr(weakptr_ const &w) { ptr_ = w.ptr_; (w.cnt_)->s_++; cnt_ = w.cnt_; } shared_ptr &operator=(shared_ptr &s) { if (this != &s) { release(); (s.cnt_)->s_++; cnt_ = s.cnt_; ptr_ = s.ptr_; } return *this; } T &operator*() { return *ptr_; } T *operator->() { return ptr_; } friend class weak_ptr; protected: void release() { cnt_->s_--; if (cnt_->s_ < 1) { delete ptr_; if (cnt_->w_ < 1) { delete cnt_; cnt_ = NULL; } } }private: T *ptr_; Counter *cnt_;};

weak_ptr

在三个智能指针中，weak_ptr是存在感最低的一个，也是最容易被大家忽略的一个智能指针。它的引入是为了解决shared_ptr存在的一个问题​​循环引用​​。

特点

不具有普通指针的行为，没有重载operator*和operator->没有共享资源，它的构造不会引起引用计数增加用于协助shared_ptr来解决循环引用问题可以从一个shared_ptr或者另外一个weak_ptr对象构造，进而可以间接获取资源的弱共享权。

使用

int main() { std::shared_ptr p1 = std::make_shared(14); { std::weak_ptr weak = p1; std::shared_ptr new_shared = weak.lock(); shared_e1 = nullptr; new_shared = nullptr; if (weak.expired()) { std::cout << "weak pointer is expired" << std::endl; } new_shared = weak.lock(); std::cout << new_shared << std::endl; } return 0;}

上述代码输出如下：

weak pointer is expired0

使用成员函数use_count()和expired()来获取资源的引用计数，如果返回为0或者false，则表示关联的资源不存在使用lock()成员函数获得一个可用的shared_ptr对象，进而操作资源当expired()为true的时候，lock()函数将返回一个空的shared_ptr

简单实现

template class weak_ptr{ public: weak_ptr() = default; weak_ptr(shared_ptr &s) : ptr_(s.ptr_), cnt(s.cnt_) { cnt_->w_++; } weak_ptr(weak_ptr &w) : ptr_(w.ptr_), cnt_(w.cnt_) { cnt_->w_++; } ~weak_ptr() { release(); } weak_ptr &operator=(weak_ptr &w) { if (this != &w) { release(); cnt_ = w.cnt_; cnt_->w_++; ptr_ = w.ptr_; } return *this; } weak_ptr &operator=(shared_ptr &s) { release(); cnt_ = s.cnt_; cnt_->w_++; ptr_ = s.ptr_; return *this; } shared_ptr lock() { return shared_ptr(*this); } bool expired() { if (cnt) { if (cnt->s_ > 0) { return false; } } return true; } friend class shared_ptr;protected: void release() { if (cnt_) { cnt_->w_--; if (cnt_->w_ < 1 && cnt_->s_ < 1) { cnt_ = nullptr; } } }private: T *ptr_ = nullptr; Counter *cnt_ = nullptr;};

循环引用

在之前的文章​​内存泄漏-原因、避免以及定位​​中，我们讲到使用weak_ptr来配合shared_ptr使用来解决循环引用的问题，借助本文，我们深入说明下如何来解决循环引用的问题。

代码如下：

class Controller { public: Controller() = default; ~Controller() { std::cout << "in ~Controller" << std::endl; } class SubController { public: SubController() = default; ~SubController() { std::cout << "in ~SubController" << std::endl; } std::shared_ptr controller_; }; std::shared_ptr sub_controller_;};

在上述代码中，因为controller和sub_controller之间都有一个指向对方的shared_ptr，这样就导致任意一个都因为对方有一个指向自己的对象，进而引用计数不能为0。

为了解决std::shared_ptr循环引用导致的内存泄漏，我们可以使用std::weak_ptr来单面去除上图中的循环。

class Controller { public: Controller() = default; ~Controller() { std::cout << "in ~Controller" << std::endl; } class SubController { public: SubController() = default; ~SubController() { std::cout << "in ~SubController" << std::endl; } std::weak_ptr controller_; }; std::shared_ptr sub_controller_;};

在上述代码中，我们将SubController类中controller_的类型从std::shared_ptr变成std::weak_ptr。

那么，为什么将SubController中的shared_ptr换成weak_ptr就能解决这个问题呢？我们看下源码：

template __weak_ptr& operator=(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) // never throws { _M_ptr = __r._M_ptr; _M_refcount = __r._M_refcount; return *this; }

在上面代码中，我们可以看到，将一个shared_ptr赋值给weak_ptr的时候，其引用计数并没有+1，所以也就解决了循环引用的问题。

那么，如果我们想要使用shared_ptr关联的对象进行操作时候，该怎么做呢？使用weak_ptr::lock()函数来实现，源码如下：

__shared_ptr<_Tp, _Lp> lock() const { return expired() ? __shared_ptr() : __shared_ptr(*this); }

从上面代码可看出，使用lock()函数生成一个shared_ptr供使用，如果之前的shared_ptr已经被释放，那么就返回一个空shared_ptr对象，否则生成shared_ptr对象的拷贝(这样即使之前的释放也不会存在问题)。

经验之谈

不要混用

指针之间的混用，有时候会造成不可预知的错误，所以建议尽量不要混用。包括​​裸指针和智能指针​​​以及​​智能指针​​之间的混用

裸指针和智能指针混用

代码如下：

void fun() { auto ptr = new Type; std::shared_ptr t(ptr); delete ptr;}

在上述代码中，将ptr所有权归shared_ptr所拥有，所以在出fun()函数作用域的时候，会自动释放ptr指针，而在函数末尾有主动调用delete来释放，这就会造成double delete，会造成​​segment fault​​。

智能指针混用

代码如下：

void fun() { std::unique_ptr t(new Type); std::shared_ptr t1(t.get());}

在上述代码中，将t关联的对象又给了t1，也就是说同一个对象被两个智能指针所拥有，所以在出fun()函数作用域的时候，二者都会释放其关联的对象，这就会造成double delete，会造成​​segment fault​​。

需要注意的是，下面代码在STL中是支持的：

void fun() { std::unique_ptr t(new Type); std::shared_ptr t1(std::move(t));}

不要管理同一个裸指针

代码如下：

void fun() { auto ptr = new Type; std::unique_ptr t(ptr); std::shared_ptr t1(ptr);}

在上述代码中，ptr所有权同时给了t和t1，也就是说同一个对象被两个智能指针所拥有，所以在出fun()函数作用域的时候，二者都会释放其关联的对象，这就会造成double delete，会造成​​segment fault​​。

避免使用get()获取原生指针

void fun(){ auto ptr = std::make_shared(); auto a= ptr.get(); std::shared_ptr t(a); delete a;}

一般情况下，生成的指针都要显示调用delete来进行释放，而上述这种，很容易稍不注意就调用delete；​​非必要不要使用get()获取原生指针​​。

不要管理this指针

class Type { private: void fun() { std::shared_ptr t(this); }};

在上述代码中，如果Type在栈上，则会导致​​segment fault​​，堆上视实际情况(如果在对象在堆上生成，那么使用合理的话，是允许的)。

只管理堆上的对象

void fun() { Type t; std::shared_ptr ptr(&t);};

在上述代码中，t在栈上进行分配，在出作用域的时候，会自动释放。而ptr在出作用域的时候，也会调用delete释放t，而t本身在栈上，delete一个栈上的地址，会造成​​segment fault​​。

优先使用unique_ptr

根据业务场景，如果需要资源独占，那么建议使用unique_ptr而不是shared_ptr，原因如下：

性能优于shared_ptr

因为shared_ptr在拷贝或者释放时候，都需要操作引用计数

内存占用上小于shared_ptr

shared_ptr需要维护它指向的对象的线程安全引用计数和一个控制块，这使得它比unique_ptr更重量级

使用make_shared初始化

我们看下常用的初始化shared_ptr两种方式，代码如下：

std::shared_ptr p1 = new Type;std::shared_ptr p2 = std::make_shared();

那么，上述两种方法孰优孰劣呢？我们且从源码的角度进行分析。

第一种初始化方法，有两次内存分配：

new Type分配对象为p1分配控制块(control block)，控制块用于存放引用计数等信息

我们再看下make_shared源码：

template inline shared_ptr<_Ty> make_shared(_Types&&... _Args) { // make a shared_ptr _Ref_count_obj<_Ty> *_Rx = new _Ref_count_obj<_Ty>(_STD forward<_Types>(_Args)...); shared_ptr<_Ty> _Ret; _Ret._Resetp0(_Rx->_Getptr(), _Rx); return (_Ret); }

这里的​​_Ref_count_obj​​类包含成员变量:

控制块一个内存块，用于存放智能指针管理的资源对象

再看看_Ref_count_obj的构造函数:

template _Ref_count_obj(_Types&&... _Args) : _Ref_count_base() { // construct from argument list ::new ((void *)&_Storage) _Ty(_STD forward<_Types>(_Args)...); }

此处虽然也有一个new操作，但是此处是​​placement new​​，所以不存在内存申请。

从上面分析我们可以看出，第一种初始化方式(new方式)共有两次内存分配操作，而第二种初始化方式(make_shared)只有一次内存申请，所以建议使用​​make_shared​​方式进行初始化。

结语

智能指针的出现，能够使得开发者不需要关心内存的释放，进而使得开发者能够将更多的精力投入到业务上。但是，因为智能指针本身也有其局限性，如果使用不当，会造成意想不到的后果，所以，在使用之前，需要做一些必要的检查，为了更好的用好智能指针，建议看下源码实现，还是比较简单的????。

好了，今天的分享就到这，我们下期见。

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