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指针是聪明的:智能指针

在之前的课程中,我们讲过使用 new 关键字将一个对象分配到堆上,分配到堆上的对象必须手动 delete 掉,否则就会造成内存泄漏的问题。我们常常因为忘记释放内存,或者释放内存的时机不对而出现问题。

为了可以让指针自行释放,在 C++11 标准中,加入了一种可以自行释放的指针,叫做智能指针。

unique_ptr

我们首先来介绍第一种智能指针:std::unique_ptr

std::unique_ptr 用于不能被多个实例共享的内存管理。它将普通的指针封装为一个栈对象,我们之前学过栈对象的生命周期,当栈对象的生存周期结束后,会在析构函数中释放掉申请的内存,从而防止内存泄漏。这就是说,仅有一个实例拥有内存所有权。我们可以通过一个实例来看一下

#include <memory>

class A{
public:
    A()
    {

    }

    ~A()
    {

    }
};


int main(int argc,char **argv)
{
    std::unique_ptr<A> p1(new A());

    return 0;
}

在上面的代码中,我们初始化了一个智能指针,指向了一片 A 对象的内存。要注意的是 unique_ptr 只能通过构造函数将指针传入,而不能将一个指针直接进行赋值。也就是说,这句话不能写成:

std::unique_ptr<A> p1 = new A(); // 会报错

在初始化之后,就可以像普通指针那样操作这个智能指针,不一样的是,在使用完之后,不用去 delete 他,他会自动释放内存。

值得注意的是,unique_ptr 只能在初始化的时候指向一片内存,之后他就不能被别人重新赋值,也不能赋值给其他指针,这是一个孤独的智能指针。

shared_ptr

想让指针不那么孤独,我们可以使用 shared_ptr。

std::shared_ptr 与 std::unique_ptr 的主要区别在于前者是使用引用计数的智能指针。引用计数的智能指针可以跟踪引用同一个真实指针对象的智能指针实例的数目。在这种智能指针中,有一个整型变量,被称之为引用计数变量。当这个指针发生赋值到其他指针的操作的时候,说明这个智能指针指向的对象被别人“分享”了一次,则引用计数加1;而当一个智能指针被销毁,就是这个智能指针的析构函数被调用的时候,说明有一个人对其放弃了“分享”,则引用计数减1,当引用计数变成 0 的时候,说明这个对象将不被任何指针指向,这时候,就可以销毁这个对象了。

shared_ptr 的用法如下:

int main(int argc,char **argv)
{
    std::shared_ptr<A> p1 = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<A> p2 = p1;

    return 0;
}

在上述例子中 p1 和 p2 指向了同一片内存,两个指针都能操作这片内存,而且还不用释放。

值得注意的是,上面的例子中,我们没有使用 new ,而是使用了 make_shared 来构建对象。make_shared 可以保留指针的关系,避免错误发生,也是 shared_ptr 推荐的方式。

weak_ptr

std::shared_ptr 看起来能解决绝大多数的问题,但是,std::shared_ptr 在有一个场景下会发生错误,那就是循环引用。

我们来看这样一个程序

class A{
public:
    A()
    {
        printf("A()\n");
    }

    ~A()
    {
        printf("~A()\n");
    }

    int aaa(){
        return 0;
    }

    std::shared_ptr<A> a;
};

int main(int argc,char **argv)
{
    std::shared_ptr<A> p1 = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<A> p2 = std::make_shared<A>();

    p1->a = p2;
    p2->a = p1;

    return 0;
}

在这个程序中,我们给 A 类也添加了两个智能指针的成员变量。然后在 main 函数中,让他们相互引用。正常来说,我们 make_shared 了两次,应该调用了两次 A 的构造函数,之后又会调用两次 A 的析构函数。但是运行这个程序,就会发现,没有析构函数被调用,也就是说,两个指针都没有被销毁。这是因为 p1 和 p2 是一个相互引用的状态,这种相互引用的状态会导致一种“死锁”现象的产生,最终导致两者都无法释放。

为了解决这个问题,C++ 提供了 weak_ptr。在相互引用的时候,使用 weak_ptr 就可以防止死锁。

class A{
public:
    A()
    {
        printf("A()\n");
    }

    ~A()
    {
        printf("~A()\n");
    }

    int aaa(){
        return 0;
    }

    std::weak_ptr<A> a;
};

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