浅谈智能指针

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前情提要

野指针（Wild Pointer）： 野指针是指指向任意未知位置的指针，它没有被初始化或者指向无效的内存。

悬挂指针（dangling pointer）：指指向已释放或无效内存的指针。当一个指向动态分配内存的指针所指向的内存被释放后，该指针仍然保留着原来的指向，但此时使用该指针访问所指向的内存将导致未定义的行为。

RAII (Resource Acquisition Is Initialization): 资源获取即初始化， R使用一个对象，在其构造时获取对应的资源，在对象生命期内控制对资源的访问，使之始终保持有效，最后在对象析构的时候，释放构造时获取的资源。像下面的例子：

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class str_ {
public:
    str_() { data = new char[1024]; }
    ~str_() { delete data; }
private:
    char* data_{ nullptr };
}

int main() {
    auto pdata = new char[1024];			// 这样的做法容易漏掉delete，导致内存泄漏
    delete[] pdata;
    
    /*
        这样当我们在一个函数内部使用局部变量，当退出了这个局部变量的作用域时，这个变量也就被毁了；当这个变量是类对象时，这个时候，就会自动调用这个类的析构函数，而这一切都是自动发生的，不要程序员显式调用完成。
     */
    {
        str_ data;							
        
	}
}

智能指针

因为C++使用内存的时候很容易出现野指针、悬空指针、内存泄露等问题。所以C++11引入了智能指针来管理内存。使用智能指针（如std::unique_ptr、std::shared_ptr）来自动管理资源生命周期，避免手动释放内存和引入悬垂指针和野指针问题。共有四种智能指针:

  • auto_ptr：已经不用了
  • unique_ptr：独占式指针，同一时刻只能有一个指针指向同一个对象
  • shared_ptr：共享式指针，同一时刻可以有多个指针指向同一个对象
  • weak_ptr：用来解决shared_ptr相互引用导致的死锁问题

总的来说，智能指针是一个RAII类模板，用于动态分配内存，其设计思想是将基本类型指针封装为（模板）类对象指针，并在离开作用域时调用析构函数，使用delete删除指针所执行的内存空间。

  • unique_ptr:

    • 独占式指针，与所指对象的内存绑定紧密，禁止其他智能指针与其他共享同一个对象。也就是同一时间只能有一个智能指针可以指向该对象

    • 独占的意思是不可以复制(拷贝构造和拷贝复制)，但是我们可以利用std::move将其转移给其他unique_ptr(可以移动构造和移动赋值)。一旦转移，这个所有权就会失去，除非被显示归还

    • 从实现上来讲，unique_ptr是一个删除了拷贝构造函数，保留了移动构造函数的指针类型。可以使用右值对unique_ptr进行构造

  • shared_ptr：

    • 实现了共享式拥有的概念，即多个智能指针可以指向相同的对象，该对象以及相关资源会在其所指对象不再使用之后，自动释放与对象相关的资源

    • 它是使用计数机制来表明资源被几个指针共享

    • 可以通过成员函数 use_count() 来查看资源的所有者个数，除了可以通过 new 来构造，还可以通过传⼊auto_ptr,unique_ptr,weak_ptr 来构造。当我们调⽤ release() 时，当前指针会释放资源所有权，计数减⼀。当计数等于 0时，资源会被释放。

  • weak_ptr，解决shared_ptr相互引用的问题，两个指针的引用计数永远不会下降为0，从而导致死锁问题。而weak_ptr是对对象的一种弱引用，可以绑定到shared_ptr，但不会增加对象的引用计数。

    • weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，它更像是shared_ptr的一个助手而不是智能智能，因为它没有普通指针的行为，没有重置*和→。它得最大作用是协助shared_ptr工作，像是旁观者那样观测资源的使用情况

    • weak_ptr是一种不控制对象生命周期的智能指针，它指向一个shared_ptr管理的对象。进行该对象的内存管理的是那个强引用的shared_ptr

    • weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak_ptr设计的目的是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针来协助shared_ptr工作，它只可以从一个 shared_ptr 或另⼀个 weak_ptr 对象构造,，它的构造和析构不会引起引用计数的增加或者减少