本文共 11588 字,大约阅读时间需要 38 分钟。
由于C++语言没有自动内存回收机制,程序员每次new出来的内在都要手动delete。程序员忘记delete;流程太复杂导致没有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的匹配问题,真的有必要吗?看完这篇文章后,我想你心里自然会有答案。
对于编译器来说,智能指针实际上是一个栈对象,并且指针类型,在栈对象生命期即将结束时,智能指针通过析构函数释放由它管理的堆内存。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,同时管理新传入的对象。
我们编写一个测试类来辅助分析:
class Simple{public: Simple(int param = 0) { number = param; std::cout << "Simple : " << number << std::endl; } ~Simple() { std::cout << "~Simple : " << number << std::endl; } void PrintSomething() { std::cout << "PrintSomething : " << info_extend.c_str() << std::endl; } std::string info_extend; int number;}
std::auto_ptr属于STL,当然在namespace std中,包含头文件#include<memory>便可以使用。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:
void TestAutoPtr(){ std::auto_ptr执行结果为:my_memory(new Simple(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 : 1PrintSomething :PrintSomething : AdditionPrintSomething : Addition other~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式使用该死的delete了。
其实好景不长,我们看看如下的另一个例子:
void TestAutoPtr2(){ std::auto_ptr最终如上代码导致崩溃,如上代码绝对符合C++编程思想,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“,这行代码使得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。my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { std::auto_ptr my_memory2; // 创建一个新的my_memory2对象 my_memory2 = my_memory; // 复制my_memory 给 my_memory2 my_memory2->PrintSomething(); // 输出信息,复制成功 //! my_memory->PrintSomething(); // 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,竟然没有明确拒绝,多少会觉得有点出乎意料。
看完std::auto_ptr好景不长的第一个例子,让我们再来看一个:
void TestAutoPtr3(){ std::auto_ptr执行结果为:my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { my_memory.release(); }}
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(在内存受限的系统中,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:
void TestAutoPtr3(){ std::auto_ptr或者:my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { Simple* temp_memroy = my_memory.release(); delete temp_memory; } }
void TestAutoPtr3() { std::auto_ptr原来std::auto_ptr的release()函数只是让出内存的所有权,这显然也不符合C++的编程思想。my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { my_memory.reset(); // 释放my_memory内部管理的内存 } }
总结:std::auto_ptr可用来管理单个对象的堆内存,但是,请注意如下几点:
(1) 尽量不要使用"operator="。如果使用了,请不要再使用先前的对象。
(2) 记住release()函数不会释放对象,它仅仅归还所有权。
(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="的问题,由其管理的对象不能放入std::vector等容器中。
使用std::auto_ptr的限制还真多,还不能用来管理堆内存数据,这应该是你目前在想的事情吧,我还觉得限制挺多的,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,所以引出了下面的boost智能指针,boost智能指针可以解决如上问题。
boost::scoped_ptr属于boost库,定义在namespace boost中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp>便可以使用。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:
void TestScopedPtr(){ boost::scoped_ptr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,可以解决std::auto_ptr的几个问题。my_memory(new Simple(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(); // 编译错误 : scoped_ptr没有release函数 boost::scoped_ptr my_memory2; //! my_memory2 = my_memory; // 编译错误 : scoped_ptr没有重载 operator=,不会导致所有权的转移 }}
由于boost::scoped_ptr独享所有权,当我们真正需要复制智能指针时,需要便满足不了了,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,这就是:boost::shared_ptr。
boost::shared_ptr属于boost库,定义在namespace boost中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp>便可以使用。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:
void TestSharedPtr(boost::shared_ptr执行结果为:memory) // 注意:无需使用reference(或const reference){ memory->PrintSomething(); std::cout << "TestSharedPtr UseCount : " << memory.use_count() << std::endl;}void TestSharedPtr2(){ boost::shared_ptr my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { my_memory->PrintSomething(); my_memory.get()->info_extend = "Addition"; my_memory->PrintSomething(); (*my_memroy).info_extend += " other"; my_memory->PrintSomething(); } std::cout << "TestSharePtr2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl; TesetSharedPtr(my_memory); std::cout << "TestSharePtr2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl; //! my_memory.release(); // 编译错误:与scoped_ptr一样,shared_ptr也没有release函数 }
Simple: 1PrintSomething:PrintSomething: AdditionPrintSomething: Addition otherTestSharedPtr2 UseCount: 1PrintSomething: Addition otherTestSharedPtr UseCount: 2TestSharedPtr2 UseCount: 1~Simple: 1boost::shared_ptr也可以很方便的使用,并且也没有release()函数。关键一点,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TestSharePtr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::share_ptr是再好不过了。
在此,我们已经看完了单个对象的智能指针管理,关于智能指针管理数组,我们接着讨论。
boost::scoped_array属于boost库,定义在namespace boost中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp>便可以使用。
boost::scoped_array是用于管理动态数组的,跟boost::scoped_ptr一样,也是独享所有权。
代码分析:
void TestScopedArray(){ boost::scoped_arrayboost::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据。另外,boost::scoped_array没有重载“operator*”,其实并无大碍,一般情况下,我们使用get()函数更明确些。my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化 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"; // 编译错误:scoped_array没有重载operator* //! my_memory[0].release(); // 编译错误:scoped_array没有release函数 boost::scoped_array my_memory2; //! my_memory2 = my_memory; // 编译错误:scoped_array没有重载operator= }}
boost::shared_array属于boost库,定义在namespace boost中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp>便可以使用。
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,其内部使用了引用计数。
代码分析:
void TestSharedArray(boost::shared_arraymemory) // 注意:无需使用reference(或const reference){ std::cout << "TesetSharedArray UseCount : " << memory.use_count() << std::endl;}void TestSharedArray2(){ boost::shared_array my_memory(new Simple[2]); if (my_memory.get()) { my_memory[0].PrintSomething(); my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00"; my_memory[0].PrintSomething(); my_memory[1].PrintSomething(); my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11"; my_memory[1].PrintSomething(); //! (*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 编译错误:shared_array没有重载operator* } //! my_memory.release(); // 编译错误:shared_array没有release函数 boost::shared_array my_memory2; my_memory2 = my_memory; std::cout << "TestSharedArray2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl; TestSharedArray(my_memory); std::cout << "TestSharedArray2 UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl;}
执行结果:
Simple : 0Simple : 0PrintSomething :PrintSomething : Addition 00PrintSomething : PrintSomething : Addition 11TestSharedArray2 UseCount: 1TestSharedArray UseCount: 2TestSharedArray2 UseCount: 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。
boost::weak_ptr属于boost库,定义在namespace boost中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp>便可以使用。
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,我们只关心是否使用对象,并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr是boost::shared_ptr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。
代码分析:
void TestWeakPtr(){ boost::weak_ptr执行结果:my_memory_weak; boost::shared_ptr my_memory(new Simple(1)); std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount : " << my_memory.use_count() << std::endl; my_memory_weak = my_memory; std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount : " << my_memory.use_count() << std::end;}
Simple : 1TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 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?从上面的例子看来,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::shared_ptr的引用计数,用以降低复杂度,更好的管理对象。
boost::intrusive_ptr属于boost库,定义在namespace boost中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp>便可以使用。
讲完以上6种智能指针后,对于一般程序来说C++堆内存管理就够用了,现在有又多了一种boost::intrusive_ptr,这是一种插入式的智能指针,内部不含有引用计数,需要程序员自己加入引用计数,不然编译不过。个人感觉这个智能指针没有太大用处,至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码……如上讲了这么多智能指针,有必要对它们做个总结:
智能指针 | 重载operator= | 重载operator* | release() | 备注 |
std::auto_ptr | √ | √ | √ | 1. 使用operator=进行my_memory2=my_memory;的赋值后,再使用my_memory会导致程序崩溃;原因是:my_memory2完全夺取了my_memory的内存管理所有权,导致my_memory悬空。 2. 作参数传递时,情况跟operator=类似。 3. release()仅仅归还所有权,不会释放对象。 |
boost::scoped_ptr | ╳ | √ | ╳ | 1. boost::scoped_ptr独享所有权,所以没有重载 operator=,不会导致所有权的转移。 2. boost::scoped_ptr没有release()函数,不然导致上文中类似std::auto_ptr的误用。 |
boost::shared_ptr | √ | √ | ╳ | 支持赋值、参数传递。 |
boost::scoped_array | ╳ | ╳ | ╳ | 1. 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据。 2. boost::scoped_array没有重载“operator*”,一般情况下,我们使用get()函数更明确些。 |
boost::shared_array | √ | ╳ | ╳ |
|
boost::weak_ptr | √ | ╳ | ╳ | boost::weak_ptr是专门为boost::shared_ptr而准备的,主要用在软件架构设计中。 |
转载地址:http://nvtsi.baihongyu.com/