一文彻底掌握智能指针
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2022-04-16 13:38
前言：
大家好，今天继续分享一篇基础的智能指针的使用，在分享这篇之前，大家可以看之前分享的两种智能指针：C++智能指针学习(一), 今天我们来分享剩下的两个智能指针：
std::share_ptr
std::weak_ptr
在分享之前，简单回忆一下智能指针的概念：
智能指针：它是存储指向动态分配（堆）对象指针的类，用于生存期控制，能够确保在离开指针所在作用域时，自动正确的销毁动态内存分配的对象，防止内存泄漏。
std::shared_ptr:
std::unique_ptr 对其持有的资源具有独占性，而 std::shared_ptr 持有的资源可以在多个 std::shared_ptr 之间共享，每多一个 std::shared_ptr 对资源的引用，资源引用计数将增加 1，每一个指向该资源的 std::shared_ptr 对象析构时，资源引用计数减 1，最后一个 std::shared_ptr 对象析构时，发现资源计数为 0，将释放其持有的资源。多个线程之间，递增和减少资源的引用计数是安全的。（注意：这不意味着多个线程同时操作 std::shared_ptr 引用的对象是安全的）。
std::shared_ptr 提供了一个 use_count() 方法来获取当前持有资源的引用计数。除了上面描述的，std::shared_ptr 用法和 std::unique_ptr 基本相同。
下面是一个初始化 std::shared_ptr 的示例：
int main()
{
//初始化方式1
std::shared_ptr sp1(new int(123));
//初始化方式2
std::shared_ptr sp2;
sp2.reset(new int(123));
//初始化方式3
std::shared_ptr sp3;
sp3 = std::make_shared(123);
return 0;
}
和 std::unique_ptr 一样，你应该优先使用 std::make_shared 去初始化一个 std::shared_ptr 对象。
再来看另外一段代码：
#include
#include
class A
{
public:
A()
{
std::cout << "A constructor" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "A destructor" << std::endl;
}
};
int main()
{
{
//初始化方式1
std::shared_ptr sp1(new A());
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
//初始化方式2
std::shared_ptr sp2(sp1);
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
sp2.reset();
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
{
std::shared_ptr sp3 = sp1;
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
}
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
}
return 0;
}
所以整个程序的执行结果如下：
A constructor
use count: 1
use count: 2
use count: 1
use count: 2
use count: 1
A destructor
上述代码 22 行 sp1 构造时，同时触发对象 A 的构造，因此 A 的构造函数会执行。
此时只有一个 sp1 对象引用 22 行 new 出来的 A 对象（为了叙述方便，下文统一称之为资源对象 A），因此代码 24 行打印出来的引用计数值为 1。
代码 27 行，利用 sp1 拷贝一份 sp2，导致代码 28 行打印出来的引用计数为 2。
代码 30 行调用 sp2 的 reset() 方法，sp2 释放对资源对象 A 的引用，因此代码 31 行打印的引用计数值再次变为 1。
代码 34 行 利用 sp1 再次 创建 sp3，因此代码 35 行打印的引用计数变为 2。
程序执行到 36 行以后，sp3 出了其作用域被析构，资源 A 的引用计数递减 1，因此 代码 38 行打印的引用计数为 1。
程序执行到 39 行以后，sp1 出了其作用域被析构，在其析构时递减资源 A 的引用计数至 0，并析构资源 A 对象，因此类 A 的析构函数被调用。
1、std::enable_shared_from_this
实际开发中，有时候需要在类中返回包裹当前对象（this）的一个 std::shared_ptr 对象给外部使用，C++ 新标准也为我们考虑到了这一点，有如此需求的类只要继承自 std::enable_shared_from_this 模板对象即可。用法如下：
#include
#include
class A : public std::enable_shared_from_this
{
public:
A()
{
std::cout << "A constructor" << std::endl;
}
~A()
{
std::cout << "A destructor" << std::endl;
}
std::shared_ptr getSelf()
{
return shared_from_this();
}
};
int main()
{
std::shared_ptr sp1(new A());
std::shared_ptr sp2 = sp1->getSelf();
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
return 0;
}
上述代码中，类 A 的继承 std::enable_shared_from_this 并提供一个 getSelf() 方法返回自身的 std::shared_ptr 对象，在 getSelf() 中调用 shared_from_this() 即可。
std::enable_shared_from_this 用起来比较方便，但是也存在很多不易察觉的陷阱。
2、陷阱一：不应该共享栈对象的 this 给智能指针对象
假设我们将上面代码 main 函数 25 行生成 A 对象的方式改成一个栈变量，即：
//其他相同代码省略...
int main()
{
A a;
std::shared_ptr sp2 = a.getSelf();
std::cout << "use count: " << sp2.use_count() << std::endl;
return 0;
}
运行修改后的代码会发现程序在 std::shared_ptr sp2 = a.getSelf() 产生崩溃。这是因为，智能指针管理的是堆对象，栈对象会在函数调用结束后自行销毁，因此不能通过 shared_from_this() 将该对象交由智能指针对象管理。
切记：智能指针最初设计的目的就是为了管理堆对象的（即那些不会自动释放的资源）。
3、陷阱二：避免 std::enable_shared_from_this 的循环引用问题
#include
#include
class A : public std::enable_shared_from_this
{
public:
A()
{
m_i = 9;
//注意:
//比较好的做法是在构造函数里面调用shared_from_this()给m_SelfPtr赋值
//但是很遗憾不能这么做,如果写在构造函数里面程序会直接崩溃
std::cout << "A constructor" << std::endl;
}
~A()
{
m_i = 0;
std::cout << "A destructor" << std::endl;
}
void func()
{
m_SelfPtr = shared_from_this();
}
public:
int m_i;
std::shared_ptr m_SelfPtr;
};
int main()
{
{
std::shared_ptr spa(new A());
spa->func();
}
return 0;
}
乍一看上面的代码好像看不出什么问题，让我们来实际运行一下看看输出结果：
A constructor
我们发现在程序的整个生命周期内，只有 A 类构造函数的调用输出，没有 A 类析构函数的调用输出，这意味着 new 出来的 A 对象产生了内存泄漏！
我们来分析一下为什么 new 出来的 A 对象得不到释放。当程序执行到 39 行后，spa 出了其作用域准备析构，在析构时其发现仍然有另外的一个 std::shared_ptr 对象即 A::m_SelfPtr 引用了 A，因此 spa 只会将 A 的引用计数递减为 1，然后就销毁自身了。现在留下一个矛盾的处境：必须销毁 A 才能销毁其成员变量 m_SelfPtr，而销毁 m_SelfPtr 必须先销毁 A。这就是所谓的 std::enable_shared_from_this 的循环引用问题。我们在实际开发中应该避免做出这样的逻辑设计，这种情形下即使使用了智能指针也会造成内存泄漏。也就是说一个资源的生命周期可以交给一个智能指针对象，但是该智能指针的生命周期不可以再交给整个资源来管理。
std::weak_ptr：
std::weak_ptr 是一个不控制资源生命周期的智能指针，是对对象的一种弱引用，只是提供了对其管理的资源的一个访问手段，引入它的目的为协助 std::shared_ptr 工作。
std::weak_ptr 可以从一个 std::shared_ptr 或另一个 std::weak_ptr 对象构造，std::shared_ptr 可以直接赋值给 std::weak_ptr ，也可以通过 std::weak_ptr 的 lock() 函数来获得 std::shared_ptr。它的构造和析构不会引起引用计数的增加或减少。std::weak_ptr 可用来解决 std::shared_ptr 相互引用时的死锁问题（即两个std::shared_ptr 相互引用，那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为 0， 资源永远不会释放）。
示例代码如下：
#include
#include
int main()
{
//创建一个std::shared_ptr对象
std::shared_ptr sp1(new int(123));
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
//通过构造函数得到一个std::weak_ptr对象
std::weak_ptr sp2(sp1);
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
//通过赋值运算符得到一个std::weak_ptr对象
std::weak_ptr sp3 = sp1;
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
//通过一个std::weak_ptr对象得到另外一个std::weak_ptr对象
std::weak_ptr sp4 = sp2;
std::cout << "use count: " << sp1.use_count() << std::endl;
return 0;
}
运行结果：
use count: 1
use count: 1
use count: 1
use count: 1
无论通过何种方式创建 std::weak_ptr 都不会增加资源的引用计数，因此每次输出引用计数的值都是 1。
既然，std::weak_ptr 不管理对象的生命周期，那么其引用的对象可能在某个时刻被销毁了，如何得知呢？std::weak_ptr 提供了一个 expired() 方法来做这一项检测，返回 true，说明其引用的资源已经不存在了；返回 false，说明该资源仍然存在，这个时候可以使用 std::weak_ptr 的 lock() 方法得到一个 std::shared_ptr 对象然后继续操作资源，以下代码演示了该用法：
// tmpConn_ 是一个 std::weak_ptr 对象
// tmpConn_ 引用的TcpConnection已经销毁，直接返回
if (tmpConn_.expired())
return;
std::shared_ptr conn = tmpConn_.lock();
if (conn)
{
//对conn进行操作，省略...
}
有读者可能对上述代码产生疑问，既然使用了 std::weak_ptr 的 expired() 方法判断了对象是否存在，为什么不直接使用 std::weak_ptr 对象对引用资源进行操作呢？实际上这是行不通的，std::weak_ptr 类没有重写 operator-> 和 operator* 方法，因此不能像 std::shared_ptr 或 std::unique_ptr 一样直接操作对象，同时 std::weak_ptr 类也没有重写 operator! 操作，因此也不能通过 std::weak_ptr 对象直接判断其引用的资源是否存在：
#include
class A
{
public:
void doSomething()
{
}
};
int main()
{
std::shared_ptr sp1(new A());
std::weak_ptr sp2(sp1);
//正确代码
if (sp1)
{
//正确代码
sp1->doSomething();
(*sp1).doSomething();
}
//正确代码
if (!sp1)
{
}
//错误代码，无法编译通过
//if (sp2)
//{
// //错误代码，无法编译通过
// sp2->doSomething();
// (*sp2).doSomething();
//}
//错误代码，无法编译通过
//if (!sp2)
//{
//}
return 0;
}
之所以 std::weak_ptr 不增加引用资源的引用计数不管理资源的生命周期，是因为，即使它实现了以上说的几个方法，调用它们也是不安全的，因为在调用期间，引用的资源可能恰好被销毁了，这会造成棘手的错误和麻烦。
因此，std::weak_ptr 的正确使用场景是那些资源如果可能就使用，如果不可使用则不用的场景，它不参与资源的生命周期管理。例如，网络分层结构中，Session 对象（会话对象）利用 Connection 对象（连接对象）提供的服务工作，但是 Session 对象不管理 Connection 对象的生命周期，Session 管理 Connection 的生命周期是不合理的，因为网络底层出错会导致 Connection 对象被销毁，此时 Session 对象如果强行持有 Connection 对象与事实矛盾。
std::weak_ptr 的应用场景，经典的例子是订阅者模式或者观察者模式中。这里以订阅者为例来说明，消息发布器只有在某个订阅者存在的情况下才会向其发布消息，而不能管理订阅者的生命周期。
class Subscriber
{
};
class SubscribeManager
{
public:
void publish()
{
for (const auto &iter : m_subscribers)
{
if (!iter.expired())
{
//TODO：给订阅者发送消息
}
}
}
private:
std::vector> m_subscribers;
};
智能指针的大小：
一个 std::unique_ptr 对象大小与裸指针大小相同（即 sizeof(std::unique_ptr) == sizeof(void))，而 std::shared_ptr 的大小是 std::unique_ptr 的一倍。以下是我分别在 Visual Studio 2019 和 gcc/g++ 4.8 上（二者都编译成 x64 程序）的测试结果：
#include
#include
#include
int main()
{
std::shared_ptr sp0;
std::shared_ptr sp1;
sp1.reset(new std::string());
std::unique_ptr sp2;
std::weak_ptr sp3;
std::cout << "sp0 size: " << sizeof(sp0) << std::endl;
std::cout << "sp1 size: " << sizeof(sp1) << std::endl;
std::cout << "sp2 size: " << sizeof(sp2) << std::endl;
std::cout << "sp3 size: " << sizeof(sp3) << std::endl;
return 0;
}
Visual Studio 2019 (32bit) 运行结果：
sp0 size:8
sp1 size:8
sp2 size:4
sp3 size:8
gcc/g++ (64bit) 运行结果：
sp0 size:16
sp1 size:16
sp2 size:8
sp3 size:16
在 32 位机器上，std_unique_ptr 占 4 字节，std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 占 8 字节。
在 64 位机器上，std_unique_ptr 占 8 字节，std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 占 16 字节。
也就是说，std_unique_ptr 的大小总是和原始指针大小一样，std::shared_ptr 和 std::weak_ptr 大小是原始指针的一倍。
智能指针使用注意事项：
C++ 新标准提倡的理念之一是不应该再手动调用 delete 或者 free 函数去释放内存了，而应该把它们交给新标准提供的各种智能指针对象。C++ 新标准中的各种智能指针是如此的实用与强大，在现代 C++ 项目开发中，我们应该尽量去使用它们。智能指针虽然好用，但稍不注意，也可能存在许多难以发现的 bug，这里我根据经验总结了几条：
一旦一个对象使用智能指针管理后，就不该再使用原始裸指针去操作， 看一段代码：
#include
class Subscriber
{
};
int main()
{
Subscriber *pSubscriber = new Subscriber();
std::unique_ptr spSubscriber(pSubscriber);
delete pSubscriber;
return 0;
}
这段代码利用创建了一个堆对象 Subscriber，然后利用智能指针 spSubscriber 去管理之，可以却私下利用原始指针销毁了该对象，这让智能指针对象 spSubscriber 情何以堪啊？
记住，一旦智能指针对象接管了你的资源，所有对资源的操作都应该通过智能指针对象进行，不建议再通过原始指针进行操作了。
当然，除了 std::weak_ptr 之外，std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 都提供了获取原始指针的方法——get() 函数。
int main()
{
Subscriber *pSubscriber = new Subscriber();
std::unique_ptr spSubscriber(pSubscriber);
//pTheSameSubscriber和pSubscriber指向同一个对象
Subscriber *pTheSameSubscriber = spSubscriber.get();
return 0;
}
分清楚场合应该使用哪种类型的智能指针：
通常情况下，如果你的资源不需要在其他地方共享，那么应该优先使用 std::unique_ptr，反之使用 std::shared_ptr，当然这是在该智能指针需要管理资源的生命周期的情况下；如果不需要管理对象的生命周期，请使用 std::weak_ptr。
认真考虑，避免操作某个引用资源已经释放的智能指针
前面的例子，一定让你觉得非常容易知道一个智能指针的持有的资源是否还有效，但是还是建议在不同场景谨慎一点，有些场景是很容易造成误判。例如下面的代码：
#include
#include
class T
{
public:
void doSomething()
{
std::cout << "T do something..." << m_i << std::endl;
}
private:
int m_i;
};
int main()
{
std::shared_ptr sp1(new T());
const auto &sp2 = sp1;
sp1.reset();
//由于sp2已经不再持有对象的引用，程序会在这里出现意外的行为
sp2->doSomething();
return 0;
}
上述代码中，sp2 是 sp1 的引用，sp1 被置空后，sp2 也一同为空。这时候调用 sp2->doSomething()，sp2->（即 operator->）在内部会调用 get() 方法获取原始指针对象，这时会得到一个空指针（地址为 0），继续调用 doSomething() 导致程序崩溃。
你一定仍然觉得这个例子也能很明显地看出问题，ok，让我们把这个例子放到实际开发中再来看一下：
//连接断开
void MonitorServer::OnClose(const std::shared_ptr &conn)
{
std::lock_guard guard(m_sessionMutex);
for (auto iter = m_sessions.begin(); iter != m_sessions.end(); ++iter)
{
//通过比对connection对象找到对应的session
if ((*iter)->GetConnectionPtr() == conn)
{
m_sessions.erase(iter);
//注意这里：程序在此处崩溃
LOGI("monitor client disconnected: %s", conn->peerAddress().toIpPort().c_str());
break;
}
}
}
该段程序会在代码 12 行处崩溃，崩溃原因是调用了 conn->peerAddress() 方法。为什么这个方法的调用可能会引起崩溃？现在可以一目了然地看出了吗？
崩溃原因是传入的 conn 对象和上一个例子中的 sp2 一样都是另外一个 std::shared_ptr 的引用，当连接断开时，对应的 TcpConnection 对象可能早已被销毁，而 conn 引用就会变成空指针（严格来说是不再拥有一个 TcpConnection 对象），此时调用 TcpConnection 的 peerAddress() 方法就会产生和上一个示例一样的错误。
作为类成员变量时，应该优先使用前置声明（forward declarations）
我们知道，为了减小编译依赖加快编译速度和生成二进制文件的大小，C/C++ 项目中一般在 *.h 文件对于指针类型尽量使用前置声明，而不是直接包含对应类的头文件。例如：
//Test.h
//在这里使用A的前置声明，而不是直接包含A.h文件
class A;
class Test
{
public:
Test();
~Test();
private:
A *m_pA;
};
同样的道理，在头文件中当使用智能指针对象作为类成员变量时，也应该优先使用前置声明去引用智能指针对象的包裹类，而不是直接包含包含类的头文件。
//Test.h
#include
//智能指针包裹类A，这里优先使用A的前置声明，而不是直接包含A.h
class A;
class Test
{
public:
Test();
~Test();
private:
std::unique_ptr m_spA;
};
Modern C/C++ 已经变为 C/C++ 开发的趋势，希望能善用和熟练这些智能指针对象。
智能指针的简单实现：
最后，给出智能指针的简单实现，因为 weak_ptr 作为弱引用指针，其实现依赖于 Counter 计数器类和 shared_ptr 的赋值，所以先进行 Counter 计数器类和 share_ptr 的简单实现。
Counter的简单实现：
/*
* 计数器
* Counter对象就是用来申请一块内存存储引用计数
* m_refCount是SharedPtr的引用计数
* m_weakCount是WeakPtr的引用计数
* 当m_weakCount为0时删除Counter对象
*/
template
class Counter
{
friend class SharedPtr;
friend class WeakPtr;
public:
Counter() : m_refCount(0), m_weakCount(0) {}
virtual ~Counter() {}
private:
Counter(const Counter &) = delete;
Counter &operator=(const Counter &) = delete;
private:
atomic_uint m_refCount; // #shared,原子操作
atomic_uint m_weakCount; // #weak,原子操作
};
shared_ptr的简单实现：
/*
* SharedPtr的简单实现
*/
template
class SharedPtr
{
friend class WeakPtr;
public:
/*
* 构造函数，用原生指针构造
*/
SharedPtr(T *ptr) : m_ptr(ptr), m_cnt(new Counter)
{
if (ptr)
{
m_cnt->m_refCount = 1;
}
cout << "Ptr Construct S." << endl;
}
~SharedPtr()
{
release();
}
/*
* 拷贝构造函数，用另一个SharedPtr对象构造
*/
SharedPtr(const SharedPtr &s)
{
m_ptr = s.m_ptr;
s.m_cnt->m_refCount++;
m_cnt = s.m_cnt;
cout << "S Copy Construct S." << endl;
}
/*
* 拷贝构造函数，用另一个WeakPtr对象构造
* 为了WeakPtr对象调用自己的lock()方法将自己传进来构造一个SharedPtr返回
*/
SharedPtr(const WeakPtr &w)
{
m_ptr = w.m_ptr;
w.m_cnt->m_refCount++;
m_cnt = w.m_cnt;
cout << "W Copy Construct S." << endl;
}
/*
* 赋值构造函数，用另一个SharedPtr对象构造
*/
SharedPtr &operator=(const SharedPtr &s)
{
if (this != s)
{
this->release();
m_ptr = s.m_ptr;
s.m_cnt->m_refCount++;
m_cnt = s.m_cnt;
cout << "S Assign Construct S." << endl;
}
return *this;
}
T &operator*()
{
return *m_ptr;
}
T *operator->()
{
return m_ptr;
}
protected:
void release()
{
m_cnt->m_refCount--;
if (m_cnt->m_refCount < 1)
{
delete m_ptr;
m_ptr = nullptr;
cout << "SharedPtr Delete Ptr." << endl;
if (m_cnt->m_weakCount < 1)
{
delete m_cnt;
m_cnt = nullptr;
cout << "SharedPtr Delete Cnt." << endl;
}
cout << "SharedPtr Release." << endl;
}
}
private:
T *m_ptr;
Counter *m_cnt;
};
weak_ptr的简单实现：
template
class WeakPtr
{
public:
/*
* 构造函数，用SharedPtr对象构造
*/
WeakPtr(SharedPtr &s) : m_ptr(s.m_ptr), m_cnt(s.m_cnt)
{
m_cnt->m_weakCount++;
cout << "S Construct W." << endl;
}
/*
* 构造函数，用WeakPtr对象构造
*/
WeakPtr(WeakPtr &w) : m_ptr(w.m_ptr), m_cnt(w.m_cnt)
{
m_cnt->m_weakCount++;
cout << "W Construct W." << endl;
}
~WeakPtr()
{
release();
}
/*
* 赋值构造函数，用另一个SharedPtr对象构造
*/
WeakPtr &operator=(SharedPtr &s)
{
release();
m_cnt = s.m_cnt;
m_cnt->m_weakCount++;
m_ptr = s.m_ptr;
cout << "S Assign Construct W." << endl;
return *this;
}
/*
* 赋值构造函数，用另一个WeakPtr对象构造
*/
WeakPtr &operator=(WeakPtr &w)
{
if (this != &w)
{
release();
m_cnt = w.m_cnt;
m_cnt->m_weakCount++;
m_ptr = w->m_ptr;
cout << "W Assign Construct W." << endl;
}
return *this;
}
/*
* WeakPtr通过lock函数获得SharedPtr
*/
SharedPtr &lock()
{
return SharedPtr(*this);
}
/*
* 检查SharedPtr是否已过期
*/
bool expired()
{
if (m_cnt)
{
if (m_cnt->m_refCount > 0)
return false;
}
return true;
}
private:
WeakPtr() = delete; WeakPtr禁止默认构造，只能从SharedPtr或者WeakPtr构造
T &operator*() = delete; //WeakPtr禁止*
T *operator->() = delete; //WeakPtr禁止->
private:
void release()
{
if (m_cnt)
{
m_cnt->m_weakCount--;
if (m_cnt->m_weakCount < 1 && m_cnt->m_refCount < 1)
{
delete m_cnt;
m_cnt = nullptr;
cout << "Delete Cnt." << endl;
}
cout << "WeakPtr Release." << endl;
}
}
private:
T *m_ptr;
Counter *m_cnt;
};
上面的实现可能不是非常严谨，仅实现了常用的的函数接口而已，但其主要的目的是为了更深刻的了解智能指针的原理，这样才能更有把握的使用智能指针，只有了解它的内部实现，对于使用中的一些坑才能有效避免。
文章相关参考：https://blog.csdn.net/code_peak/article/details/119722167
文章整理：txp玩Linux
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