智能指针-使用、避坑和实现

关注公众号【高性能架构探索】,回复[pdf]免费获取计算机经典书籍

你好,我是雨乐!

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-使用、避坑和实现

  1. 智能指针的由来
  2. auto_ptr为什么被废弃
  3. unique_ptr的使用、特点以及实现
  4. shared_ptr的使用、特点以及实现
  5. weak_ptr的使用、特点以及实现
  6. 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。

智能指针-使用、避坑和实现

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。

智能指针-使用、避坑和实现

分类

在C++11中,有unique_ptrshared_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 T> 
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<ClassA> a(new ClassA);
auto_ptr<ClassA> 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<Type> p1; // p1关联Type对象
  • 指向一个数组
unique_ptr<Type[]> 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<int> a(new int(1));
}
  • 无法进行拷贝与赋值操作
unique_ptr<int> ptr(new int(1));
unique_ptr<int> ptr1(ptr) ; // error
unique_ptr<int> ptr2 = ptr; //error
  • 显示的所有权转移(通过move语义)
unique_ptr<int> ptr(new int(1));
unique_ptr<int> ptr1 = std::move(ptr) ; // ok
  • 作为容器元素存储在容器中
unique_ptr<int> ptr(new int(1));
std::vector<unique_ptr<int>> v;

v.push_back(ptr); // error
v.push_back(std::move(ptr)); // ok

std::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<double>(3.14);
auto p2 = std::make_unique<double[]>(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;
#else
template<typename T, typename... Args>
std::unique_ptr<T> make_unique(Args &&... args)
{
    return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<Args>(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 <memory>
#include <utility> // std::move

void fun1(double *);
void fun2(std::unique<double> *);
void fun3(std::unique<double> &);
void fun4(std::unique<double> );

int main() {
  std::unique_ptr<double> 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

本部分只是基于源码的一些思路,便于理解,实现的一个简单方案,如果想要阅读源码,请点击unique_ptr查看。

基本代码如下:

template<class T> 
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<int> 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 <iostream>
#include  <memory> 

int main() {
    // 创建shared_ptr对象
    std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>();
    *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<int> 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 "<<std::endl;
    // 引用计数-1
    p1.reset();

    std::cout << "p1 Reference Count = " << p1.use_count() << std::endl;

    // 重置
    p1.reset(new int(11));
    std::cout << "p1  Reference Count = " << p1.use_count() << std::endl;

    p1 = nullptr;
    std::cout << "p1  Reference Count = " << p1.use_count() << std::endl;
    if (!p1) // 通过此种方式来判断关联的资源是否为空
    {
        std::cout << "p1 is NULL" << std::endl;
    }
    return 0;
}

输出如下:

p1 = 78
p1 Reference count = 1
p2 Reference count = 2
p1 Reference count = 2
p1 and p2 are pointing to same pointer
Reset p1 
p1 Reference Count = 0
p1  Reference Count = 1
p1  Reference Count = 0
p1 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<Type> &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<Type> &p) {
  p = p1;
}

void fun2(std::shared_ptr<Type> &p) {
  p = p2;
}

int main() {
  std::shared_ptr<Type> p = std::make_shared<Type>();
  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

本部分只是基于源码的一些思路,便于理解,实现的一个简单方案,如果想要阅读源码,请点击shared_ptr查看。

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 T>
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 T>
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<T> const &s) {
    ptr_ = s.ptr_;
    (s.cnt)->s_++;
    cnt_ = s.cnt_;
  }

  shared_ptr(weakptr_<T> const &w) {
    ptr_ = w.ptr_;
    (w.cnt_)->s_++;
    cnt_ = w.cnt_;
  }

  shared_ptr<T> &operator=(shared_ptr<T> &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<T>;

 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

  1. 不具有普通指针的行为,没有重载operator*和operator->
  2. 没有共享资源,它的构造不会引起引用计数增加
  3. 用于协助shared_ptr来解决循环引用问题
  4. 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<int> p1 = std::make_shared<Entity>(14);
    {
        std::weak_ptr<int> weak = p1;
        std::shared_ptr<Entity> 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 expired
0
  1. 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
  2. 使用lock()成员函数获得一个可用的shared_ptr对象,进而操作资源
  3. 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 T>
class weak_ptr
{
 public:
  weak_ptr() = default;

  weak_ptr(shared_ptr<T> &s) : ptr_(s.ptr_), cnt(s.cnt_) {
    cnt_->w_++;
  }

  weak_ptr(weak_ptr<T> &w) : ptr_(w.ptr_), cnt_(w.cnt_) {
    cnt_->w_++;
  }
  ~weak_ptr() {
    release();
  }
  weak_ptr<T> &operator=(weak_ptr<T> &w) {
    if (this != &w) {
      release();
      cnt_ = w.cnt_;
      cnt_->w_++;
      ptr_ = w.ptr_;
    }
    return *this;
  }
  weak_ptr<T> &operator=(shared_ptr<T> &s)
  {
    release();
    cnt_ = s.cnt_;
    cnt_->w_++;
    ptr_ = s.ptr_;
    return *this;
  }

  shared_ptr<T> lock() {
    return shared_ptr<T>(*this);
  }

  bool expired() {
    if (cnt) {
      if (cnt->s_ > 0) {
        return false;
      }
    }
    return true;
  }

  friend class shared_ptr<T>;

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> controller_;
  };

  std::shared_ptr<SubController> 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。

智能指针-使用、避坑和实现

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> controller_;
  };

  std::shared_ptr<SubController> 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。

智能指针-使用、避坑和实现

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<typename _Tp1>
         __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<element_type, _Lp>() : __shared_ptr<element_type, _Lp>(*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<Type> 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<Type> t(new Type);
  std::shared_ptr<Type> 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<Type> t(new Type);
  std::shared_ptr<Type> 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<Type> t(ptr);
  std::shared_ptr<Type> 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<Type>();

  auto a= ptr.get();

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

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<class _Ty,
  class... _Types> 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<class... _Types>
  _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。

参考

https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions/visualstudio/visual-studio-2012/hh279676(v=vs.110)?redirectedfrom=MSDN

https://rufflewind.com/2016-03-05/unique-ptr

https://www.nextptr.com/tutorial/ta1450413058/unique_ptr-shared_ptr-weak_ptr-or-reference_wrapper-for-class-relationships

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.6.3/libstdc++/api/a01099_source.html

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/libstdc++-html-USERS-4.4/a01327.html

https://www.nextptr.com/tutorial/ta1358374985/shared_ptr-basics-and-internals-with-examples

原创文章受到原创版权保护。转载请注明出处:https://www.ccppcoding.com/archives/202

转载文章受原作者版权保护。转载请注明原作者出处!

(0)
上一篇 2022年1月6日 上午10:07
下一篇 2022年3月9日 上午11:21

相关推荐