智能指针详解.docx
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智能指针详解.docx
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智能指针详解
一、简介
由于C++语言没有自动内存回收机制,程序员每次new出来的内存都要手动delete。
程序员忘记delete,流程太复杂,最终导致没有delete,异常导致程序过早退出,没有执行delete的情况并不罕见。
用智能指针便可以有效缓解这类问题,本文主要讲解参见的智能指针的用法。
包括:
std:
:
auto_ptr、boost:
:
scoped_ptr、boost:
:
shared_ptr、boost:
:
scoped_array、boost:
:
shared_array、boost:
:
weak_ptr、boost:
:
intrusive_ptr。
你可能会想,如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题,真的有必要吗?
看完这篇文章后,我想你心里自然会有答案。
下面就按照顺序讲解如上7种智能指针(smart_ptr)。
二、具体使用
1、总括
对于编译器来说,智能指针实际上是一个栈对象,并非指针类型,在栈对象生命期即将结束时,智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。
所有智能指针都重载了“operator->”操作符,直接返回对象的引用,用以操作对象。
访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。
访问智能指针包含的裸指针则可以用get()函数。
由于智能指针是一个对象,所以if(my_smart_object)永远为真,要判断智能指针的裸指针是否为空,需要这样判断:
if(my_smart_object.get())。
智能指针包含了reset()方法,如果不传递参数(或者传递NULL),则智能指针会释放当前管理的内存。
如果传递一个对象,则智能指针会释放当前对象,来管理新传入的对象。
我们编写一个测试类来辅助分析:
classSimple{
public:
Simple(intparam=0){
number=param;
std:
:
cout<<"Simple:
"< : endl; } ~Simple(){ std: : cout<<"~Simple: "< : endl; } voidPrintSomething(){ std: : cout<<"PrintSomething: "< : endl; } std: : stringinfo_extend; intnumber; }; 2、std: : auto_ptr std: : auto_ptr属于STL,当然在namespacestd中,包含头文件#include std: : auto_ptr能够方便的管理单个堆内存对象。 我们从代码开始分析: voidTestAutoPtr(){ std: : auto_ptr (1));//创建对象,输出: Simple: 1 if(my_memory.get()){//判断智能指针是否为空 my_memory->PrintSomething();//使用operator->调用智能指针对象中的函数 my_memory.get()->info_extend="Addition";//使用get()返回裸指针,然后给内部对象赋值 my_memory->PrintSomething();//再次打印,表明上述赋值成功 (*my_memory).info_extend+="other";//使用operator*返回智能指针内部对象,然后用“.”调用智能指针对象中的函数 my_memory->PrintSomething();//再次打印,表明上述赋值成功 } }//my_memory栈对象即将结束生命期,析构堆对象Simple (1) 执行结果为: Simple: 1 PrintSomething: PrintSomething: Addition PrintSomething: Additionother ~Simple: 1 上述为正常使用std: : auto_ptr的代码,一切似乎都良好,无论如何不用我们显示使用该死的delete了。 其实好景不长,我们看看如下的另一个例子: voidTestAutoPtr2(){ std: : auto_ptr (1)); if(my_memory.get()){ std: : auto_ptr my_memory2=my_memory;//复制旧的my_memory给my_memory2 my_memory2->PrintSomething();//输出信息,复制成功 my_memory->PrintSomething();//崩溃 } } 最终如上代码导致崩溃,如上代码时绝对符合C++编程思想的,居然崩溃了,跟进std: : auto_ptr的源码后,我们看到,罪魁祸首是“my_memory2=my_memory”,这行代码,my_memory2完全夺取了my_memory的内存管理所有权,导致my_memory悬空,最后使用时导致崩溃。 所以,使用std: : auto_ptr时,绝对不能使用“operator=”操作符。 作为一个库,不允许用户使用,确没有明确拒绝[1],多少会觉得有点出乎预料。 看完std: : auto_ptr好景不长的第一个例子后,让我们再来看一个: voidTestAutoPtr3(){ std: : auto_ptr (1)); if(my_memory.get()){ my_memory.release(); } } 执行结果为: Simple: 1 看到什么异常了吗? 我们创建出来的对象没有被析构,没有输出“~Simple: 1”,导致内存泄露。 当我们不想让my_memory继续生存下去,我们调用release()函数释放内存,结果却导致内存泄露(在内存受限系统中,如果my_memory占用太多内存,我们会考虑在使用完成后,立刻归还,而不是等到my_memory结束生命期后才归还)。 正确的代码应该为: voidTestAutoPtr3(){ std: : auto_ptr (1)); if(my_memory.get()){ Simple*temp_memory=my_memory.release(); deletetemp_memory; } } 或 voidTestAutoPtr3(){ std: : auto_ptr (1)); if(my_memory.get()){ my_memory.reset();//释放my_memory内部管理的内存 } } 原来std: : auto_ptr的release()函数只是让出内存所有权,这显然也不符合C++编程思想。 总结: std: : auto_ptr可用来管理单个对象的对内存,但是,请注意如下几点: (1) 尽量不要使用“operator=”。 如果使用了,请不要再使用先前对象。 (2) 记住release()函数不会释放对象,仅仅归还所有权。 (3) std: : auto_ptr最好不要当成参数传递(读者可以自行写代码确定为什么不能)。 (4) 由于std: : auto_ptr的“operator=”问题,有其管理的对象不能放入std: : vector等容器中。 (5) …… 使用一个std: : auto_ptr的限制还真多,还不能用来管理堆内存数组,这应该是你目前在想的事情吧,我也觉得限制挺多的,哪天一个不小心,就导致问题了。 由于std: : auto_ptr引发了诸多问题,一些设计并不是非常符合C++编程思想,所以引发了下面boost的智能指针,boost智能指针可以解决如上问题。 让我们继续向下看。 3、boost: : scoped_ptr boost: : scoped_ptr属于boost库,定义在namespaceboost中,包含头文件#include boost: : scoped_ptr跟std: : auto_ptr一样,可以方便的管理单个堆内存对象,特别的是,boost: : scoped_ptr独享所有权,避免了std: : auto_ptr恼人的几个问题。 我们还是从代码开始分析: voidTestScopedPtr(){ boost: : scoped_ptr (1)); if(my_memory.get()){ my_memory->PrintSomething(); my_memory.get()->info_extend="Addition"; my_memory->PrintSomething(); (*my_memory).info_extend+="other"; my_memory->PrintSomething(); my_memory.release();//编译error: scoped_ptr没有release函数 std: : auto_ptr my_memory2=my_memory;//编译error: scoped_ptr没有重载operator=,不会导致所有权转移 } } 首先,我们可以看到,boost: : scoped_ptr也可以像auto_ptr一样正常使用。 但其没有release()函数,不会导致先前的内存泄露问题。 其次,由于boost: : scoped_ptr是独享所有权的,所以明确拒绝用户写“my_memory2=my_memory”之类的语句,可以缓解std: : auto_ptr几个恼人的问题。 由于boost: : scoped_ptr独享所有权,当我们真真需要复制智能指针时,需求便满足不了了,如此我们再引入一个智能指针,专门用于处理复制,参数传递的情况,这便是如下的boost: : shared_ptr。 4、boost: : shared_ptr boost: : shared_ptr属于boost库,定义在namespaceboost中,包含头文件#include 在上面我们看到boost: : scoped_ptr独享所有权,不允许赋值、拷贝,boost: : shared_ptr是专门用于共享所有权的,由于要共享所有权,其在内部使用了引用计数。 boost: : shared_ptr也是用于管理单个堆内存对象的。 我们还是从代码开始分析: voidTestSharedPtr(boost: : shared_ptr 无需使用reference(或constreference) memory->PrintSomething(); std: : cout<<"TestSharedPtrUseCount: "< : endl; } voidTestSharedPtr2(){ boost: : shared_ptr (1)); if(my_memory.get()){ my_memory->PrintSomething(); my_memory.get()->info_extend="Addition"; my_memory->PrintSomething(); (*my_memory).info_extend+="other"; my_memory->PrintSomething(); } std: : cout<<"TestSharedPtr2UseCount: "< : endl; TestSharedPtr(my_memory); std: : cout<<"TestSharedPtr2UseCount: "< : endl; //my_memory.release();//编译error: 同样,shared_ptr也没有release函数 } 执行结果为: Simple: 1 PrintSomething: PrintSomething: Addition PrintSomething: Additionother TestSharedPtr2UseCount: 1 PrintSomething: Additionother TestSharedPtrUseCount: 2 TestSharedPtr2UseCount: 1 ~Simple: 1 boost: : shared_ptr也可以很方便的使用。 并且没有release()函数。 关键的一点,boost: : shared_ptr内部维护了一个引用计数,由此可以支持复制、参数传递等。 boost: : shared_ptr提供了一个函数use_count(),此函数返回boost: : shared_ptr内部的引用计数。 查看执行结果,我们可以看到在TestSharedPtr2函数中,引用计数为1,传递参数后(此处进行了一次复制),在函数TestSharedPtr内部,引用计数为2,在TestSharedPtr返回后,引用计数又降低为1。 当我们需要使用一个共享对象的时候,boost: : shared_ptr是再好不过的了。 在此,我们已经看完单个对象的智能指针管理,关于智能指针管理数组,我们接下来讲到。 5、boost: : scoped_array boost: : scoped_array属于boost库,定义在namespaceboost中,包含头文件#include boost: : scoped_array便是用于管理动态数组的。 跟boost: : scoped_ptr一样,也是独享所有权的。 我们还是从代码开始分析: voidTestScopedArray(){ boost: : scoped_array if(my_memory.get()){ my_memory[0].PrintSomething(); my_memory.get()[0].info_extend="Addition"; my_memory[0].PrintSomething(); (*my_memory)[0].info_extend+="other";//编译error,scoped_ptr没有重载operator* my_memory[0].release();//同上,没有release函数 boost: : scoped_array my_memory2=my_memory;//编译error,同上,没有重载operator= } } boost: : scoped_array的使用跟boost: : scoped_ptr差不多,不支持复制,并且初始化的时候需要使用动态数组。 另外,boost: : scoped_array没有重载“operator*”,其实这并无大碍,一般情况下,我们使用get()函数更明确些。 下面肯定应该讲boost: : shared_array了,一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。 6、boost: : shared_array boost: : shared_array属于boost库,定义在namespaceboost中,包含头文件#include 由于boost: : scoped_array独享所有权,显然在很多情况下(参数传递、对象赋值等)不满足需求,由此我们引入boost: : shared_array。 跟boost: : shared_ptr一样,内部使用了引用计数。 我们还是从代码开始分析: voidTestSharedArray(boost: : shared_array 无需使用reference(或constreference) std: : cout<<"TestSharedArrayUseCount: "< : endl; } voidTestSharedArray2(){ boost: : shared_array if(my_memory.get()){ my_memory[0].PrintSomething(); my_memory.get()[0].info_extend="Addition00"; my_memory[0].PrintSomething(); my_memory[1].PrintSomething(); my_memory.get()[1].info_extend="Addition11"; my_memory[1].PrintSomething(); //(*my_memory)[0].info_extend+="other";//编译error,scoped_ptr没有重载operator* } std: : cout<<"TestSharedArray2UseCount: "< : endl; TestSharedArray(my_memory); std: : cout<<"TestSharedArray2UseCount: "< : endl; } 执行结果为: Simple: 0 Simple: 0 PrintSomething: PrintSomething: Addition00 PrintSomething: PrintSomething: Addition11 TestSharedArray2UseCount: 1 TestSharedArrayUseCount: 2 TestSharedArray2UseCount: 1 ~Simple: 0 ~Simple: 0 跟boost: : shared_ptr一样,使用了引用计数,可以复制,通过参数来传递。 至此,我们讲过的智能指针有std: : auto_ptr、boost: : scoped_ptr、boost: : shared_ptr、boost: : scoped_array、boost: : shared_array。 这几个智能指针已经基本够我们使用了,90%的使用过标准智能指针的代码就这5种。 可如下还有两种智能指针,它们肯定有用,但有什么用处呢,一起看看吧。 7、boost: : weak_ptr boost: : weak_ptr属于boost库,定义在namespaceboost中,包含头文件#include 在讲boost: : weak_ptr之前,让我们先回顾一下前面讲解的内容。 似乎boost: : scoped_ptr、boost: : shared_ptr这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了,这儿还多出一个boost: : weak_ptr,是否还有某些情况我们没纳入考虑呢? 回答: 有。 首先boost: : weak_ptr是专门为boost: : shared_ptr而准备的。 有时候,我们只关心能否使用对象,并不关心内部的引用计数。 boost: : weak_ptr是boost: : shared_ptr的观察者(Observer)对象,观察者意味着boost: : weak_ptr只对boost: : shared_ptr进行引用,而不改变其引用计数,当被观察的boost: : shared_ptr失效后,相应的boost: : weak_ptr也相应失效。 我们还是从代码开始分析: voidTestWeakPtr(){ boost: : weak_ptr boost: : shared_ptr (1)); std: : cout<<"TestWeakPtrboost: : shared_ptrUseCount: "< : endl; my_memory_weak=my_memory; std: : cout<<"TestWeakPtrboost: : shared_ptrUseCount: "< : endl; } 执行结果为: Simple: 1 TestWeakPtrboost: : shared_ptrUseCount: 1 TestWeakPtrboost: : shared_ptrUseCount: 1 ~Simple: 1 我们看到,尽管被赋值了,内部的引用计数并没有什么变化,当然,读者也可以试试传递参数等其他情况。 现在要说的问题是,boost: : weak_ptr到底有什么作用呢? 从上面那个例子看来,似乎没有任何作用,其实boost: : weak_ptr主要用在软件架构设计中,可以在基类(此处的基类并非抽象基类,而是指继承于抽象基类的虚基类)中定义一个boost: : weak_ptr,用于指向子类的boost: : shared_ptr,这样基类仅仅观察自己的boost: : weak_ptr是否为空就知道子类有没对自己赋值了,而不用影响子类boost: : sh
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