C++智能指针：高效管理内存的利器

上篇文章C算法一维/二维前缀和算法模板题目录1.智能指针的使用场景2.RAII和智能指针的设计思路3.C标准库智能指针的使用4.智能指针的原理5.shared_ptr和weak_ptr5.1shared_ptr循环引用问题5.2weak_ptr6.shared_ptr的线程安全问题7.C11和boost中智能指针的关系8.内存泄漏8.1什么是内存泄漏及其危害8.2检测内存泄漏8.3如何避免内存泄漏1.智能指针的使用场景如下方的代码new了之后我们也delete了但由于抛异常导致之后的delete并没有执行因此产生了内存泄漏问题。所以我们需要new以后捕获异常捕获到异常后delete内存再把异常抛出不过由于new本身也可能抛异常连续两个new和下面的Divide都可能会抛异常会让我们处理起来很麻烦。而智能指针放在这样的场景中就会让问题简单很多。double Divide(int a, int b) { // 当b0时抛出异常 if (b 0) { throwDivide by zero condition; } else { return (double)a / (double)b; } } void Func() { // 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常另外下面的array和array2没有得到释放。 // 所以这里捕获异常后并不处理异常异常还是交给外面处理这里捕获了再重新抛出去。 // 但是如果array2 new的时候抛异常就还需要套一层捕获释放逻辑这里更好解决方案 // 是智能指针 int* array1 new int[10]; int* array2 new int[10]; // 如果抛异常呢 try { int len, time; cin len time; cout Divide(len, time) endl; } catch (...) { cout delete [] array1 endl; cout delete [] array2 endl; delete[] array1; delete[] array2; throw; // 异常重新抛出捕获到说明就抛出什么 } // ... cout delete [] array1 endl; delete[] array1; cout delete [] array2 endl; delete[] array2; } int main() { try { Func(); } catch (const char* errmsg) { cout errmsg endl; } catch (const exception e) { cout e.what() endl; } catch (...) { cout 未知异常 endl; } return 0; }2.RAII和智能指针的设计思路RAll是Resource Acquisition Is Initialization的缩写他是一种管理资源的类的设计思想本质是一种利用对象生命周期来管理获取到的动态资源避免资源泄漏这里的资源可以是内存、文件指针、网络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给一个对象接着控制对资源的访问资源在对象的生命周期内始终保持有效最后在对象析构的时候释放资源这样保障了资源的正常释放避免资源泄漏问题。智能指针类除了满足RAII的设计思路还要方便资源的访问所以智能指针类还会像迭代器类一样重载operator* / operator- / operator [ ] 等运算符方便访问资源。template class T class SmartPtr { public: // RAII SmartPtr(T* ptr) :_ptr(ptr) { } ~SmartPtr() { cout delete[] _ptr endl; delete[] _ptr; } // 重载运算符模拟指针行为方便访问资源 T* operator-() { return _ptr; } T operator*() { return *_ptr; } T operator[](size_t i) { return _ptr[i]; } private: T* _ptr; }; double Divide(int a, int b) { // 当b 0时抛出异常 if (b 0) { throwDivide by zero condition; } else { return (double)a / (double)b; } } void Func() { // 这里使用RAII的智能指针类管理new出来的数组 SmartPtrint sp1 new int[10]; SmartPtrint sp2 new int[10]; for (size_t i 0; i 10; i) { sp1[i] sp2[i] i; } int len, time; cin len time; cout Divide(len, time) endl; } int main() { try { Func(); } catch (const char* errmsg) { cout errmsg endl; } catch (const exception e) { cout e.what() endl; } catch (...) { cout 未知异常 endl; } return 0; }3.C标准库智能指针的使用C标准库中的智能指针都在 memory 这个头文件下面我们包含 memory 就可以使用了智能指针有好几种除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针一样访问的行为原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。auto_ptr是C98时设计出来的智能指针他的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转让给拷贝对象这是一个非常糟糕的设计因为他会到被拷贝对象悬空访问报错的问题C11设计出新的智能指针后强烈建议不要使用auto_ptr。其他C11出来之前很多公司也是明令禁止使用这个智能指针的。struct Date { public: int _year; int _month; int _day; Date(int year 1, int month 1, int day 1) :_year(year) ,_month(month) ,_day(day) { cout A() endl; } ~Date() { cout ~Date() endl; } }; int main() { // C17标准直接移除auto_ptr //auto_ptrDate ap1(new Date); // 拷贝时管理权限转移被拷贝对象ap1悬空 //auto_ptrDate ap2(ap1); // 空指针访问ap1对象已经悬空 //ap1-_year; return 0; }unique_ptr是C11设计出来的智能指针他的名字翻译出来是唯一指针他的特点是不支持拷贝只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用他。int main() { unique_ptrDate up1(new Date); // 不支持拷贝 //unique_ptrDate up2(up1); // 支持移动但是移动后up1也悬空 unique_ptrDate up3(move(up1)); return 0; }shared_ptr是C11设计出来的智能指针他的名字翻译出来就是共享指针他的特点是支持拷贝也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用他。底层是用引用计数的方式实现的。int main() { shared_ptrDate sp1(new Date); // 支持拷贝 shared_ptrDate sp2(sp1); shared_ptrDate sp3(sp2); cout sp1.use_count() endl; sp1-_year; cout sp1-_year endl; cout sp2-_year endl; cout sp3-_year endl; // 支持移动但是移动后sp1也悬空 shared_ptrDate sp4(move(sp1)); return 0; }weak_ptr是C11设计出来的智能指针他的名字翻译出来是弱指针他完全不同于上面的智能指针他不支持RAII也就意味着不能用它直接管理资源weak_ptr的产生本质是要解决shared_ptr的一个循环引用导致内存泄漏问题。智能指针析构时默认是进行delete释放资源的也就意味着如果不是new出来的资源交给智能指针管理析构时就会崩溃。智能指针支持在构造时给一个删除器其本质就是一个可调用对象这个可调用对象中实现你想要的释放资源的方式当构造智能指针时给了定制的删除器在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。因为new[]经常使用所以为了简洁unique_ptr和shared_ptr都特化了一份[]的版本使用时unique_ptrDate[ ] up1(new Date[5]); shared_ptrDate[] sp1(new Date[5]); 就可以管理new[]的资源。templateclass T void DeleteArrayFunc(T* ptr) { delete[] ptr; } templateclass T class DeleteArray { public: void operator()(T* ptr) { delete[] ptr; } }; class Fclose { public: void operator()(FILE* ptr) { cout fclose: ptr endl; fclose(ptr); } }; int main() { // 这样实现程序会崩溃 // unique_ptrDate up1(new Date[10]); // shared_ptrDate sp1(new Date[10]); // 解决方案1 // 因为new[]经常使用所以unique_ptr和shared_ptr // 实现了⼀个特化版本这个特化版本析构时用的delete[] unique_ptrDate[] up1(new Date[5]); shared_ptrDate[] sp1(new Date[5]); // 解决方案2 // 仿函数对象做删除器 unique_ptrDate, DeleteArrayDate up2(new Date[5], DeleteArrayDate()); // unique_ptr和shared_ptr支持删除器的方式有所不同 // unique_ptr是在类模板参数支持的shared_ptr是构造函数参数支持的 // 这里没有使用相同的方式还是挺坑的 // 使用仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递因为仿函数类型构造的对象直接就可以调用 // 但是下面的函数指针和lambda的类型不可以 unique_ptrDate, DeleteArrayDate up3(new Date[5]); shared_ptrDate sp2(new Date[5], DeleteArrayDate()); // 函数指针做删除器 unique_ptrDate, void(*)(Date*) up4(new Date[5], DeleteArrayFuncDate); shared_ptrDate sp3(new Date[5], DeleteArrayFuncDate); // lambda表达式做删除器 auto delArrOBJ [](Date* ptr) {delete[] ptr; }; unique_ptrDate, void(*)(Date*) up5(new Date[5], DeleteArrayFuncDate); shared_ptrDate sp4(new Date[5], delArrOBJ); // 实现其他资源管理的删除器 shared_ptrFILE sp5(fopen(Test.cpp, r), Fclose()); shared_ptrFILE sp6(fopen(Test.cpp, r), [](FILE* ptr) { cout fclose: ptr endl; fclose(ptr); }); return 0; }template class T, class... Argsshared_ptrTmake_shared(Args... args);shared_ptr 除了支持用指向资源的指针构造还支持make_shared用初始化资源对象的值直接构造。shared_ptr 和unique_ptr 都支持了operator bool的类型转换如果智能指针对象是一个空对象没有管理资源则返回false否则返回true意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。shared_ptr 和unique_ptr 都得构造函数都使用explicit 修饰防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。int main() { shared_ptrDate sp1(new Date(2026, 3, 3)); shared_ptrDate sp2 make_sharedDate(2026, 3, 3); auto sp3 make_sharedDate(2024, 9, 11); shared_ptrDate sp4; // if (sp1.operator bool()) if (sp1) cout sp1 is not nullptr endl; if (!sp4) cout sp1 is nullptr endl; // 报错 //shared_ptrDate sp5 new Date(2024, 9, 11); //unique_ptrDate sp6 new Date(2024, 9, 11); return 0; }4.智能指针的原理模拟实现auto_ptr和unique_ptr的核心功能这两个智能指针的实现比较简单。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象这种思路是不被认可的也不建议使用。unique_ptr的思路是不支持拷贝。大家重点要看看shared_ptr是如何设计的尤其是引用计数的设计主要这里一份资源就需要一个引用计数所以引用计数才用静态成员的方式是无法实现的要使用堆上动态开辟的方式构造智能指针对象时来一份资源就要new一个引用计数出来。多个shared_ptr指向资源时就引用计数shared_ptr对象析构时就--引用计数引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后一个管理资源的对象则析构资源。auto_ptrtemplateclass T class auto_ptr { public: auto_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr) { } auto_ptr(auto_ptrT sp) :_ptr(sp._ptr) { sp._ptr nullptr; } auto_ptrT operator(auto_ptrT ap) { // 检测是否为自己给自己赋值 if (this ! ap) { // 释放当前对象中的资源 if (_ptr) delete _ptr; // 转移ap中资源到当前对象中 _ptr ap._ptr; ap._ptr NULL; } return *this; } ~auto_ptr() { if (_ptr) { cout delete: _ptr endl; delete _ptr; } } T operator*() { return *_ptr; } T* operator-() { return _ptr; } private: T* _ptr; };unique_ptrtemplateclass T class unique_ptr { public: explicit unique_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr) { } ~unique_ptr() { if (_ptr) { cout delete: _ptr endl; delete _ptr; } } T operator*() { return *_ptr; } T* operator-() { return _ptr; } unique_ptr(const unique_ptrT up) delete; unique_ptrT operator(const unique_ptrT up) delete; unique_ptr(unique_ptrT sp) :_ptr(sp._ptr) { sp._ptr nullptr; } unique_ptrT operator(unique_ptrT sp) { delete _ptr; _ptr sp._ptr; sp._ptr nullptr; } private: T* _ptr; };shared_ptrtemplateclass T class shared_ptr { public: explicit shared_ptr(T* ptr nullptr) :_ptr(ptr) ,_pcount(new int(1)) { } templateclass D shared_ptr(T* ptr, D del) : _ptr(ptr) , _pcount(new int(1)) ,_del(del) { } shared_ptr(const shared_ptrT sp) :_ptr(sp._ptr) , _pcount(sp._pcount) , _del(sp._del) { (*_pcount); } void release() { if (--(*_pcount) 0) { // 最后一个管理的对象释放资源 _del(_ptr); delete _pcount; _ptr nullptr; _pcount nullptr; } } shared_ptrT operator(const shared_ptrT sp) { if (_ptr ! sp._ptr) { release(); _ptr sp._ptr; _pcount sp._pcount; (*_pcount); _del sp._del; } return *this; } ~shared_ptr() { release(); } T* get() const { return _ptr; } int use_count() const { return *_pcount; } T operator*() { return *_ptr; } T* operator-() { return _ptr; } private: T* _ptr; int* _pcount; //atomicint* _pcount; functionvoid(T*) _del [](T* ptr) {delete ptr; }; };weak_ptrtemplateclass T class weak_ptr { public: weak_ptr() { } weak_ptr(const shared_ptrT sp) :_ptr(sp.get()) { } weak_ptrT operator(const shared_ptrT sp) { _ptr sp.get(); return *this; } private: T* _ptr nullptr; };5.shared_ptr和weak_ptr5.1shared_ptr循环引用问题shared_ptr大多数情况下管理资源非常合适支持RAll也支持拷贝。但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因并且学会使用weak_ptr解决这种问题。如下图所述场景n1和n2析构后管理两个节点的引用计数减到1右边的节点什么时候释放是由左边节点中的_next管着_next析构后右边的节点就释放了。_next什么时候析构 _next是左边节点的的成员左边节点释放_next就析构了。左边节点什么时候释放 左边节点由右边节点中的_prev管着_prev析构后左边的节点就释放了。_prev什么时候析构 _prev是右边节点的成员右边节点释放_prev就析构了。至此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用谁都不会释放就形成了循环引用导致内存泄漏把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptrweak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引用计数_next和_prev不参与资源释放管理逻辑就成功打破了循环引用解决了这里的问题struct ListNode { int _data; //std::shared_ptrListNode _next; //std::shared_ptrListNode _prev; // 这里改为weak_ptr当n1-_next n2;绑定shared_ptr时 // 不增加n2的引用计数不参与资源释放的管理就不会形成循环引用了 std::weak_ptrListNode _next; std::weak_ptrListNode _prev; ~ListNode() { cout ~ListNode() endl; } }; int main() { // 循环引用 -- 内存泄漏 std::shared_ptrListNode n1(new ListNode); std::shared_ptrListNode n2(new ListNode); cout n1.use_count() endl; cout n2.use_count() endl; n1-_next n2; n2-_prev n1; cout n1.use_count() endl; cout n2.use_count() endl; // weak_ptr不支持管理资源不支持RAII // weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr不增加他的引用计数作为⼀些场景的辅助管理 //std::weak_ptrListNode wp(new ListNode); return 0; }5.2weak_ptrweak_ptr不支持RAll也不支持访问资源所以我们看文档发现weak_ptr构造时不支持绑定到资源只支持绑定到shared_ptr绑定到shared_ptr时不增加shared_ptr的引用计数那么就可以解决上述的循环引用问题。weak_ptr也没有重载operator*和operator-等因为他不参与资源管理那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr支持expired检查指向的资源是否过期use_count也可获取shared_ptr的引用计数weak_ptr想访问资源时可以调用lock返回一个管理资源的shared_ptr如果资源已经被释放返回的shared_ptr是一个空对象如果资源没有释放则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。int main() { std::shared_ptrstring sp1(new string(111111)); std::shared_ptrstring sp2(sp1); std::weak_ptrstring wp sp1; cout wp.expired() endl; cout wp.use_count() endl; // sp1和sp2都指向了其他资源则weak_ptr就过期了 sp1 make_sharedstring(222222); cout wp.expired() endl; cout wp.use_count() endl; sp2 make_sharedstring(333333); cout wp.expired() endl; cout wp.use_count() endl; wp sp1; //std::shared_ptrstring sp3 wp.lock(); auto sp3 wp.lock(); cout wp.expired() endl; cout wp.use_count() endl; *sp3 ###; cout *sp1 endl; return 0; }结果6.shared_ptr的线程安全问题shared_ptr的引用计数对象在堆上如果多个shared_ptr对象在多个线程中进行shared_ptr的拷贝析构时会访问修改引用计数就会存在线程安全问题所以shared_ptr引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管它也管不了应该有外层使用shared_ptr的人进行线程安全的控制。下面的程序会崩溃或者A资源没释放xxx::shared_ptr引l用计数从int*改成atomicint*就可以保证引用计数的线程安全问题或者使用互斥锁加锁也可以。struct AA { int _a1 0; int _a2 0; ~AA() { cout ~AA() endl; } }; int main() { xxx::shared_ptrAA p(new AA); const size_t n 100000; mutex mtx; auto func []() { for (size_t i 0; i n; i) { // 这⾥智能指针拷⻉会计数 xxx::shared_ptrAA copy(p); { unique_lockmutex lk(mtx); copy-_a1; copy-_a2; } } }; thread t1(func); thread t2(func); t1.join(); t2.join(); cout p-_a1 endl; cout p-_a2 endl; cout p.use_count() endl; return 0; }7.C11和boost中智能指针的关系Boost库是为C语言标准库提供扩展的一些C程序库的总称Boost社区建立的初衷之一就是为C的标准化工作提供可供参考的实现Boost社区的发起人Dawes本人就是C标准委员会的成员之一。在Boost库的开发中Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果C11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。C98中产生了第一个智能指针auto_ptr。C boost给出了更实用的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等CTR1引入了shared_ptr等不过注意的是TR1并不是标准版。C11引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。 需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。8.内存泄漏8.1什么是内存泄漏及其危害什么是内存泄漏内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存一般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失而是应用程序分配某段内存后因为设计错误失去了对该段内存的控制因而造成了内存的浪费。内存泄漏的危害普通程序运行一会就结束了出现内存泄漏问题也不大进程正常结束页表的映射关系解除物理内存也可以释放。长期运行的程序出现内存泄漏影响很大如操作系统、后台服务、长时间运行的客户端等等不断出现内存泄漏会导致可用内存不断变少各种功能响应越来越慢最终卡死。int main() { // 申请⼀个1G未释放这个程序多次运⾏也没啥危害 // 因为程序⻢上就结束进程结束各种资源也就回收了 char* ptr new char[1024 * 1024 * 1024]; cout (void*)ptr endl; return 0; }8.2检测内存泄漏linux下内存泄漏检测https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51959654windows下第三方软件https://blog.csdn.net/lonely1047/article/details/1200389298.3如何避免内存泄漏工程前期良好的设计规范养成良好的编码规范申请的内存空间记着匹配的去释放。ps这个理想状态。但是如果碰上异常时就算注意释放了还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。尽量使用智能指针来管理资源如果自己场景比较特殊采用RAII思想自己造个轮子管理。定期使用内存泄漏工具检测尤其是每次项目快上线前不过有些工具不够靠谱或者是收费。总结一下内存泄漏非常常见解决方案分为两种1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。