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【C++】详解RAII思想与智能指针

news 2024/11/16 23:32:41

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引言

内存泄漏

内存泄漏的危害

内存泄漏的处理

一、RAII思想

二、智能指针

1.auto_ptr

实现原理

模拟实现

弊端

2.unique_ptr

实现原理

模拟实现

3.shared_ptr

实现原理

模拟实现

循环引用问题

4.weak_ptr

引言

上一篇关于异常处理的文章，我们提到，异常处理是存在内存泄漏风险的，由于异常捕获会导致程序运行时执行流的跳转，并且在某些资源释放之前就进行了跳转，此时就会引发内存泄漏，来看下面这段代码：

当我输入3 0时，程序会抛出除零错误，并跳过了 delete p1; delete p2; 语句，因为异常发生时，程序的执行流会跳转到 catch 块，导致析构函数没有执行，引发内存泄漏。

内存泄漏

什么是内存泄漏呢？内存泄漏是指程序在运行的过程中，动态分配的内存被占用但没有得到释放，从而导致资源不能被回收，最终可能导致系统性能下降甚至崩溃。

内存泄漏的危害

1.如果内存泄漏非常严重，程序将消耗所有的可用内存，导致操作系统或程序本身的崩溃。

2.内存泄漏意味着分配的内存空间无法被回收，不仅浪费内存空间，还可能会影响其他进程。

3.在一些长期运行的系统（服务器、嵌入式设备等）中，内存泄漏会导致系统持续消耗内存而不释放，久而久之会导致系统性能下降并最终导致系统崩溃。

4.内存泄漏往往是隐蔽性的，在大规模且复杂的程序中，调试和定位内存泄漏非常困难，这时可能需要借助一些外部的工具。

内存泄漏的处理

一般分为两种：①事先预防型 ②事后查错型

事后查错型例如借助外部工具；

我们下面要介绍的就是对内存泄漏的事先预防处理办法，采用RAII思想以及智能指针：

一、RAII思想

RAII 全称 Resource Acquisition Is Initialization，中文翻译：资源获取即初始化，它强调通过对象的生命周期来管理资源，将资源的获取与释放与对象的创建与销毁相一致，RAII设计原则可以更好地管理动态资源，有效避免内存泄漏。还是用上述例子来直观感受一下：

template<class T>
class smartptr {
public:smartptr(T data){cout << "smartptr(T data)" << endl;_ptr = new T(data);}~smartptr(){cout << "~smartptr()" << endl;delete _ptr;}private:T* _ptr;
};int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
int main()
{try{smartptr<int> p1(1);smartptr<int> p2(2);div();}catch (exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

我们可以看到，RAII思想实际上就是将资源的获取与释放封装到一个类中，在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源。我们不需要显式地释放资源，并且将资源与对象的生命周期绑定

输入3 0时，抛出除零异常，执行流跳转的同时，try块内部生命周期结束，此时会调用内部对象的析构函数，完成了资源的释放，避免了资源泄露。

二、智能指针

上述smartptr还不能被称作智能指针，因为它不具备指针的行为，我们还需要在类内部重载解引用*、访问->等操作，使其能像指针一样使用：

template<class T>
class smartptr {
public:smartptr(T data = T()){_ptr = new T(data);}~smartptr(){delete _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private:T* _ptr;
};struct Date {int _year;int _month;int _day;
};int main()
{smartptr<Date> p1;p1->_year = 2024;p1->_month = 11;p1->_day = 9;cout << (*p1)._year << "-" << (*p1)._month << "-" << (*p1)._day << endl;return 0;
}

智能指针采用RAII原理来管理动态分配的内存，也是将资源的管理与对象的生命周期绑定，并且可以像普通指针那样进行*、->等操作。

下面我们来介绍一下C++98提供的auto_ptr智能指针：

1.auto_ptr

auto_ptr是C++98标准引入的一种智能指针，是RAII思想的体现，其核心功能是自动管理动态分配的内存，确保指针在超出作用域时，资源被正确释放，下面是它的主要实现原理：

实现原理

构造函数

auto_ptr的构造函数接受一个原始指针（裸指针），并将其封装成auto_ptr对象内部的指针：

auto_ptr<int> p(new int(10)); // 构造函数

析构函数

auto_ptr的析构函数会在对象生命周期结束时自动调用delete操作符，释放指针所指向的内存：

~auto_ptr() {delete _ptr;  // 释放内存
}

拷贝构造函数

与普通对象的拷贝构造函数不同，auto_ptr在拷贝时会转移其资源所有权给新对象。因此，拷贝构造后，原对象会变成一个空指针（指向nullptr）

auto_ptr(const auto_ptr& other) : _ptr(other._ptr) {other._ptr = nullptr;  // 将原对象的指针设为 nullptr，避免重复释放
}

赋值操作符

auto_ptr的赋值操作符也会转移资源所有权，先释放当前对象的资源，然后将传入的指针复制到当前对象，并将传入指针置空：

auto_ptr& operator=(const auto_ptr& other) {if (this != &other) {delete _ptr;  // 先释放当前资源_ptr = other._ptr;other._ptr = nullptr;  // 将 other 的指针置空}return *this;
}

成员访问

通过重载*、->实现指针的解引用与访问成员操作：

auto_ptr<int> p(new int(10));
*p = 20;  // 访问值

模拟实现

下面是对auto_ptr的简单模拟实现：

	template<class T>class auto_ptr{public:// 构造函数auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}// 拷贝构造函数auto_ptr(auto_ptr<T>& other):_ptr(other._ptr){// 管理权转移other._ptr = nullptr;}// 赋值函数auto_ptr operator=(const auto_ptr<T> other){// 检测是否给自己赋值if (*this != other){// 释放当前资源if (_ptr)delete _ptr;_ptr = other._ptr;other._ptr = nullptr;}return *this;}// 析构函数~auto_ptr(){if(_ptr)delete _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};

弊端

auto_ptr在拷贝和赋值时隐式地转移了资源所有权，会导致一些潜在的资源管理问题。

auto_ptr被拷贝时，源对象指针被置空，此时无法再进行访问：

auto_ptr<int> p1(new int(10));  // 创建 p1
auto_ptr<int> p2 = p1;          // p1 的资源转移给 p2，p1 变为 nullptr
cout << *p1 << std::endl;       // 错误，p1 已为空指针

这种隐性的资源转移，使得auto_ptr在传递和返回时不直观，比如，我们在函数调用对象时，希望资源可以被复制并共享，但是auto_ptr不允许资源的共享，可能会导致意料之外的资源转移：

void foo(auto_ptr<int> ptr) {// ptr 的资源所有权已经转移到 foo 函数的局部变量中
}int main() {auto_ptr<int> p1(new int(10));foo(p1);  // p1 的资源被转移到 foo，p1 变为空指针cout << *p1 << std::endl;  // 错误，p1 已为空指针
}

auto_ptr在实际使用过程中，会引发许多不易察觉的错误，这并不是我们想要的智能指针，为了避免上述问题，C++11引入了更多新的智能指针，例如unique_ptr：

2.unique_ptr

为了避免所有权转移导致的一系列潜在问题，unique_ptr采用了一种简单粗暴的办法：禁止拷贝，禁止一切拷贝行为，从根源上解决了问题。

实现原理

禁止拷贝行为
编译器会禁止unique_ptr的拷贝构造与拷贝复制操作，试图拷贝将会报错：

std::unique_ptr<int> p1(new int(10));
// 编译错误，禁止拷贝构造
std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 错误：拷贝构造被删除

明确的资源所有权转移

禁止拷贝并不意味着对资源所有权转移的全面封杀，实际上还是可以对资源进行转移的，只不过auto_ptr是隐式地转移，而unique_ptr是显式地进行转移：

unique_ptr<int> p1(new int(10));
unique_ptr<int> p2 = move(p1); // 明确转移资源所有权// p1 现在为空指针，p2 拥有资源
cout << *p2 << endl;  // 输出 10
// cout << *p1 << endl; // 错误：p1 现在为空指针

模拟实现

那么unique_ptr在底层是怎么实现对拷贝的禁止的呢，其实是用到了delete关键字，在成员函数后面加上 = delete，表示禁止该成员函数的使用，通过delete删除拷贝构造函数与拷贝赋值函数，从而禁止了拷贝行为的发生：

	template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}~unique_ptr(){if (_ptr)delete _ptr;}// 指针操作T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}// 不支持拷贝构造、拷贝赋值unique_ptr(const unique_ptr<T>& other) = delete;unique_ptr operator=(const unique_ptr<T> other) = delete;private:T* _ptr;};

C++11还提供了一种智能指针，它支持拷贝行为，并且允许多个对象共享资源，即拷贝赋值并不会将原指针置空，而是让它们指向同一块空间：

3.shared_ptr

shared_ptr支持拷贝构造以及拷贝赋值，它们可以共享资源，各自进行操作，但要考虑一个问题：RAII的思想是将资源的获取和释放与对象的生命周期绑定，当我通过函数传参的方式将一个对象赋值给了另一个对象，会导致资源的提前释放（函数结束），这样外部指针就悬空了，共享的资源只需要进行一次释放即可，那么我们怎么知道何时释放资源呢？通过计数器的方式实现：

实现原理

shared_ptr通过引用计数来实现资源的正确释放，确保在所有共享该资源的shared_ptr对象都销毁后才释放资。

当另一个shared_ptr对象拷贝构造或者赋值时，引用计数增加，表示多了一个对象在共享资源；当shared_ptr对象析构或被赋值到新的对象时，引用计数减少，表示减少一个共享资源的持有者。

模拟实现

实现过程如下：

	template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr),_pCount(new int(0)){++* _pCount; // 增加计数}shared_ptr(shared_ptr<T>& other):_ptr(other._ptr),_pCount(other._pCount){cout << "shared_ptr(shared_ptr<T>& other)" << endl;++* _pCount; // 增加计数}shared_ptr operator=(shared_ptr<T>& other){// 检测是否给自己赋值if (_ptr  != other._ptr){cout << "shared_ptr operator=(const shared_ptr<T>& other)" << endl;--* _pCount; // 减少当前资源的计数// 释放当前资源if (*_pCount == 0){delete _ptr;delete _pCount;}_ptr = other._ptr;_pCount = other._pCount;++* _pCount; // 增加新资源的计数}return *this;}~shared_ptr(){--* _pCount; // 减少计数if (*_pCount == 0){// 共享对象全部销毁，进行析构cout << "~shared_ptr()" << endl;delete _ptr;delete _pCount;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;int* _pCount;};

shared_ptr适用于绝大多数场景，但是在某些场景下，会引发循环引用问题，此时资源不能得到正确释放：

循环引用问题

来看下面这段代码：

struct ListNode
{int _data;shared_ptr<ListNode> _prev;shared_ptr<ListNode> _next;~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);cout << node1.use_count() << endl;cout << node2.use_count() << endl;node1->_next = node2;node2->_prev = node1;cout << node1.use_count() << endl;cout << node2.use_count() << endl;return 0;
}

我们将节点的_prev和_next定义成shared_ptr智能指针，并定义了两个节点，节点2的_prev指向节点1，节点1的_next指向节点2: