前言:
- 本期,我们将要学习的是在c++11中新提出的概念——异常指针!
目录
(一)智能指针的引入
(二)内存泄漏
1、什么是内存泄漏,内存泄漏的危害
2、内存泄漏分类(了解)
3、如何检测内存泄漏(了解)
4、如何避免内存泄漏
(三)智能指针的使用及原理
1、RAII
2、智能指针的原理
3、std::auto_ptr
4、std::unique_ptr
6、weak_ptr
7、删除器
(四)C++11和boost中智能指针的关系
总结
(一)智能指针的引入
申请的空间(即 new 出来的空间),在使用结束时,需要 delete 掉,否则会形成内存碎片。在程序 运行期间,new 出来的对象,在析构函数中 delete 掉 ,但是这种方法不能解决所有问题,因为有时 候new 发生在某个全局函数里面,该方法会给程序员造成精神负担。 此时,智能指针就派上了用 场。 使用 智能指针可以很大程度上避免这个问题,因为智能指针就是一个类,当超出了类的作用域 时,类会自动调用析构函数,析构函数会自动释放资源。所以,智能指针的作用原理就是在函数结 束时自动释放内存空间,避免了手动释放内存空间。
int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
void Func()
{// 1、如果p1这里new 抛异常会如何?// 2、如果p2这里new 抛异常会如何?// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何?int* p1 = new int;int* p2 = new int;cout << div() << endl;delete p1;delete p2;
}
int main()
{try{Func();}catch (exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}
【解释说明】
-
p1
指针会保持为空指针,因为在异常抛出之前,指针p1
尚未被分配一个有效的内存地址。 -
由于
p1
指针没有被分配有效内存,因此在后续代码中删除p1
是不安全的。 -
p2
指针同样也不会被分配有效内存,因为在p1
抛出异常后,程序流会直接跳转到异常处理块,而不会继续执行p2
的分配。 -
div()
函数中的异常会被抛出,并且在main()
函数的异常处理块中被捕获。
new int
分配内存的过程中抛出异常,指针 p1
和 p2
将保持为未初始化状态,分配的内存将无法释放,会导致内存泄漏。 (二)内存泄漏
1、什么是内存泄漏,内存泄漏的危害
void MemoryLeaks()
{// 1.内存申请了忘记释放int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));int* p2 = new int;// 2.异常安全问题int* p3 = new int[10];Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行,p3没被释放.delete[] p3;
}
【解释说明】
在上述代码中,涉及到了几种内存泄漏和异常安全问题。我简单的分析一哈:
内存申请但忘记释放:
- 在以下行中,使用了
malloc
来分配内存,但是没有相应的free
来释放内存:
int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
- 同样,在以下行中使用了
new
来分配内存,但没有相应的delete
来释放内存:
int* p2 = new int;
- 这些内存分配未被释放会导致内存泄漏,即使程序结束也不会释放这些分配的内存。
异常安全问题:
- 在以下行中,使用
new
来分配一个整数数组,但没有相应的delete[]
来释放内存:
int* p3 = new int[10];
- 在
Func()
函数内部发生异常时,delete[] p3
不会被执行,导致在函数返回时出现内存泄漏。
异常引发的内存泄漏:
- 在
Func()
函数中,如果发生异常,delete p1
和delete p2
不会被执行,导致p1
和p2
分配的内存没有被释放。
为了解决这些问题,大家在平时写代码时需要:
- 在适当的时候使用
free
或delete
来释放内存,以避免内存泄漏。 - 在分配内存之后,确保使用
try
块,以便在异常发生时可以释放已分配的内存。 - 在异常处理时要小心,确保不会重复释放已经释放过的内存。
总之,要编写健壮的代码,需要注意资源管理和异常处理,以确保内存泄漏和其他异常问题最小化。
2、内存泄漏分类(了解)
C/C++ 程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏:
- 堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一 块内存,用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分 内存没有被释放,那么以后这部分空间将无法再被使用,就会产生Heap Leak。
- 指程序使用系统分配的资源,比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放 掉,导致系统资源的浪费,严重可导致系统效能减少,系统执行不稳定
3、如何检测内存泄漏(了解)
4、如何避免内存泄漏
- 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。
(三)智能指针的使用及原理
1、RAII
- 不需要显式地释放资源。
- 采用这种方式,对象所需的资源在其生命期内始终保持有效
此时,针对上面我们给出的代码,给出 使用RAII思想设计的SmartPtr类 的解决方法:
// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if (_ptr)cout << "delete:" << _ptr << 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;
}
void Func()
{SmartPtr<int> sp1(new int);SmartPtr<int> sp2(new int);cout << div() << endl;
}int main()
{try {Func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}
输出展示:
【解释说明】
上诉这样的做法,此时申请的资源不是自己去进行管理而是交给智能指针去管,即用这个智能指针去构造一个智能指针对象;
针对在前面提到的 p1、p2以及div系统调用这三种情况,我们此时在分析一下,看在这样的场景下是怎么样的?
- 根据输出展示的效果,我们可以发现都是正常的释放。
- 那此时有小伙好奇,我们没有delete为什么就释放了呢?其实是因为这样的 sp1和sp2 都是局部对象,局部对象出了作用域就会调用它的析构函数
如果sp1抛异常了 :
- 这个new抛异常,就不会进到构造函数里面去,因为这个new是实参嘛,实参会先调用new,new调用operator new抛异常了,是不是直接就走了,因此不需要释放资源什么的;
如果sp2抛异常了 :
- 如果第二个抛异常,说起来此处抛异常是一下直接跳到catch区的地方。实际上呢,他会先结束这个栈帧,里面对象就会调用析构函数,调用析构函数,就把SP2管理的这个资源给释放了;
如果div()抛异常了 :
- 再看如果 div 抛异常,跟上述一样,它会结束这个函数,这些局部对象就会调用虚构函数,就完成释放了。
2、智能指针的原理
T& operator*()
{return *_ptr;
}T* operator->()
{return _ptr;
}
- 此时,我们就可以像指针一样的正常使用:
- 1. RAII特性
- 2. 重载operator*和opertaor->,具有像指针一样的行为。
3、std::auto_ptr
auto_ptr 文档介绍
auto_ptr 是 C++98 标准中引入的一种智能指针,用于管理动态分配的内存资源。它提供了一种简单的所有权转移机制,允许将资源所有权从一个 auto_ptr 实例转移到另一个实例。
以下是一些关于 auto_ptr 的重要事项:
-
所有权转移: auto_ptr 允许通过赋值操作将资源所有权从一个实例转移到另一个实例。这意味着,一旦将资源赋值给另一个 auto_ptr ,原始的 auto_ptr 将不再拥有该资源:
int main()
{auto_ptr<int> ptr1(new int(5));auto_ptr<int> ptr2;ptr2 = ptr1; // 所有权转移//cout << *ptr2 << endl; // 输出 5cout << *ptr1 << endl; // 错误!ptr1 不再拥有指针,已经转移给了 ptr2return 0;
}
输出展示:
【解释说明】
- 在上述代码中,
ptr1
拥有一个动态分配的int
类型指针,并将其赋值给了ptr2;
- 因为 auto_ptr 的所有权转移特性,此时
ptr1
不再拥有指针,而是将所有权转移到了ptr2
。因此,尝试使用ptr1
解引用会导致未定义行为。
-
空悬指针问题: auto_ptr 存在空悬指针(dangling pointer)问题,即在资源所有权转移后,原始 auto_ptr 会变为空指针,但资源可能仍然被另一个 auto_ptr 使用,可能导致不可预测的行为。
int main()
{auto_ptr<int> ptr(new int(5));if (true) {auto_ptr<int> otherPtr = ptr;//...}cout << *ptr << endl; // 输出不确定的值,可能导致程序崩溃return 0;
}
输出展示:
【解释说明】
- 在上述代码中,
ptr
拥有一个动态分配的int
类型指针。然后,这个指针被转移给了otherPtr
,在if
语句块结束后,otherPtr
超出了作用域,释放了指针,并将其设置为nullptr;
- 此时,
ptr
成为了悬空指针,访问它将导致未定义行为。
【小结】
4、std::unique_ptr
unique_ptr文档
由于 auto_ptr 存在这些问题,它在 C++11 标准中被弃用。在现代 C++ 中,推荐使用 unique_ptr来代替 auto_ptr 。unique_ptr提供了更好的语义和安全性,同时支持移动语义和自定义删除器,使得资源管理更加灵活可靠。
template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}unique_ptr(unique_ptr<T>& ap):_ptr(ap._ptr){ap._ptr = nullptr;}~unique_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}//c++11 思路:语法直接支持unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;//c++98思路:只声明不实现,但是用的人可能会在外面强行定义,所以可以声明为私有/*private:unique_ptr(const unique_ptr<T>& up);*/private:T* _ptr;};void Test_unique(){unique_ptr<int> up1(new int);unique_ptr<int> up2(up1);}
输出展示:
当我们使用编译器自带的,看效果咋样:
【解释说明】
- 尝试复制构造 std::unique_ptr,将会编译错误;
- 问题在于 unique_ptr 是独占所有权的智能指针。这意味着一个 unique_ptr 只能拥有一个资源,而且不允许通过常规的复制构造函数来复制它;
- 可以使用 move 来将资源所有权从一个 unique_ptr 移动到另一个,但是直接的复制构造是不被允许的。
代码修改:
【解释说明】
- 在这个修正后的代码中,move 函数将
up1
中的资源所有权转移到了up2
,避免了编译错误。 - 总之,错误是由于 unique_ptr 的独占所有权特性引起的。它只允许资源的唯一所有者,因此无法通过常规的复制构造函数来复制 unique_ptr 。要转移资源所有权,需要使用 move 函数。
5、std::shared_ptr
shared_ptr 文档
引入 shared_ptr 是为了解决资源管理中的共享所有权问题。在许多情况下,多个指针需要共同拥有同一资源,而且需要确保资源在最后一个使用它的指针释放后才被销毁。shared_ptr 提供了一个智能指针实现,允许多个指针共享对资源的所有权,同时确保资源的安全释放。
- 1. shared_ptr在其内部,给每个资源都维护了着一份计数,用来记录该份资源被几个对象共 享。
- 2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用),就说明自己不使用该资源了,对象的引用计数减 一。
- 3. 如果引用计数是0,就说明自己是最后一个使用该资源的对象,必须释放该资源;
- 4. 如果不是0,就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源,不能释放该资源,否则其他对 象就成野指针了。
template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr):_ptr(ptr),_pcount(new int(1)),_pmtx(new mutex){}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount),_pmtx(sp._pmtx){AddRef();}void Release(){_pmtx->lock();bool flag = false;if (--(*_pcount) == 0 && _ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;delete _pcount;flag = true;}_pmtx->unlock();if (flag == true){delete _pmtx;}}void AddRef(){_pmtx->lock();++(*_pcount);_pmtx->unlock();}shared_ptr<T>& operator = (const shared_ptr<T> sp){if (_ptr != sp._ptr) //防止自己给自己赋值{Release();_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;_pmtx = sp._pmtx;AddRef();}return *this;}int use_count(){return *_pcount;}~shared_ptr(){Release();}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get() const{return _ptr;}private:T* _ptr;int* _pcount;mutex* _pmtx;};
输出展示:
【解释说明】
- 上述代码展示了一个简化版的 C++11
shared_ptr
的实现。这是一个模板类,用于管理动态分配的内存,并实现了共享所有权的功能; - 实现方法是使用引用计数技术,即记录指向同一动态分配内存的共享指针的数量,并在最后一个指针被销毁时释放内存;
- 为了保证线程安全,使用了互斥锁来同步计数器的增加和减少操作;
- 另外,为了使得共享指针可以像普通指针一样使用,还提供了重载解引用运算符和成员访问运算符。
通过下面的程序我们来测试 shared_ptr 的线程安全问题。需要注意的是 shared_ptr 的线程安全分为两方面:
- 1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的,两个线程中智能指针的引用计数同时 ++或--,这个操作不是原子的,引用计数原来是1,++了两次,可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以智能指针中引用计数++、--是需要加锁的,也就是说引用计数的操作是线程安全的。
- 2. 智能指针管理的对象存放在堆上,两个线程中同时去访问,会导致线程安全问题。
struct Date{int _year = 0;int _month = 0;int _day = 0;~Date(){}};void SharePtrFunc(zp::shared_ptr<Date>& sp, size_t n, mutex& mtx){cout << sp.get() << endl;for (size_t i = 0; i < n; ++i){// 这里智能指针拷贝会++计数,智能指针析构会--计数,这里是线程安全的。zp::shared_ptr<Date> copy(sp);// 这里智能指针访问管理的资源,不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了2n//次,但是最终看到的结果,并一定是加了2n{unique_lock<mutex> lk(mtx);copy->_year++;copy->_month++;copy->_day++;}}}void test_shared_safe(){zp::shared_ptr<Date> p(new Date);cout << p.get() << endl;const size_t n = 50000;mutex mtx;thread t1(SharePtrFunc, ref(p), n, ref(mtx));thread t2(SharePtrFunc, ref(p), n, ref(mtx));t1.join();t2.join();cout << p.use_count() << endl;cout << p->_year << endl;cout << p->_month << endl;cout << p->_day << endl;}
输出展示:
- 当我们不进行加锁操作时:
- 当我们进行加锁操作时:
shared_ptr的循环引用:
- 接下来,我们先给出代码在来进行分析解释:
struct ListNode{int _data;zp::shared_ptr<ListNode> _prev;zp::shared_ptr<ListNode> _next;~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }};void Test_cycle(){zp::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);zp::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;}
输出展示:
【解释说明】
- 1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点,引用计数变成1,我们不需要手动 delete。
- 2. node1的_next指向node2,node2的_prev指向node1,引用计数变成2。
- 3. node1和node2析构,引用计数减到1,但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上 一个节点。
- 4. 也就是说_next析构了,node2就释放了。
- 5. 也就是说_prev析构了,node1就释放了。
- 6. 但是_next属于node的成员,node1释放了,_next才会析构,而node1由_prev管理,_prev 属于node2成员,所以这就叫循环引用,谁也不会释放。
由于存在循环引用的问题,当程序退出 Test_cycle() 时,两个节点的引用计数不会降为0,因此它们的析构函数不会被调用。这意味着析构函数中的输出语句不会被执行,可能导致内存泄漏的风险。
为了避免循环引用问题,可以将 _prev和 _next成员变量为 weak_ptr,它是shared_ptr的一种弱引用,不会增加引用计数。这样在循环链表中,使用 weak_ptr 来打破强引用关系,防止循环引用导致的内存泄漏。
- 下面是修复循环引用问题的示例代码:
首先,我们先手动实现一个 weak_ptr或者使用库里面提供的weak_ptr。在这里,我手动的实现了一个:
template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr():_ptr(nullptr){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp.get()){}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
改正后的代码如下:
struct ListNode{int _data;zp::weak_ptr<ListNode> _prev;zp::weak_ptr<ListNode> _next;~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }};void Test_cycle(){zp::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);zp::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;}
输出展示:
【解释说明】
- 在修复后的代码中,将 ListNode 结构体中的成员变量 _prev和_next 改为 zp::weak_ptr 类型,这样就不会增加对下一个结点的强引用,避免了循环引用问题;
- 当程序退出 Test_cycle() 函数时,node1 和 node2 的引用计数会降为0,析构数
~ListNode()
会被调用,相关的内存资源会被正确释放,避免了内存泄漏的问题。
6、weak_ptr
在上述的shared_ptr 讲述中,我们使用到了有关 weak_ptr。接下来,我们正式的对其进行相关介绍。
基本介绍:
- 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记数的增加或减少;
- weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个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;
- 它是对对象的一种弱引用,不会增加对象的引用计数,和shared_ptr之间可以相互转化,shared_ptr可以直接赋值给它,它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr
接下来,我们通过代码简单的了解一下:
class B;
class A
{
public:shared_ptr<B> pb_;~A(){cout << "A delete\n";}
};class B
{
public:shared_ptr<A> pa_;~B(){cout << "B delete\n";}
};void fun()
{shared_ptr<B> pb(new B());shared_ptr<A> pa(new A());pb->pa_ = pa;pa->pb_ = pb;cout << pb.use_count() << endl;cout << pa.use_count() << endl;
}
int main()
{fun();return 0;
}
输出展示:
【解释说明】
- 可以看到fun函数中pa ,pb之间互相引用,两个资源的引用计数为2,当要跳出函数时,智能指针 pa,pb析构时两个资源引用计数会减一;
- 但是两者引用计数还是为1,导致跳出函数时资源没有被释放(A B的析构函数没有被调用),如果把其中一个改为weak_ptr就可以了,我们把类A里面的 shared_ptr pb_;
- 这样的话,资源B的引用开始就只有1,当pb析构时,B的计数变为0,B得到释放,B释放的同时也会使A的计数减一,同时pa析构时使A的计数减 一,那么A的计数为0,A得到释放。
注意: 我们不能通过weak_ptr直接访问对象的方法,应该先把它转化为shared_ptr!!!
7、删除器
如果不是 new 出来的对象如何通过智能指针管理呢?其实 shared_ptr 设计了一个删除器来解决这 个问题!!
1.定义
- 智能指针删除器(deleter)是指在智能指针析构时执行的自定义操作;
- 删除器可以在释放智能指针所管理的资源时,执行额外的清理工作或自定义逻辑。
- 下面是一个使用 Lambda 表达式作为删除器的示例:
int main()
{int* p = new int(10);std::shared_ptr<int> sp(p, [](int* ptr) { std::cout << "deleting pointer " << ptr << std::endl; delete ptr; });// 输出共享指针的引用计数std::cout << "sp use_count: " << sp.use_count() << std::endl;// 手动将共享指针的引用计数减 1sp.reset();return 0;
}
输出展示:
【解释说明】
- 上述代码创建了一个指向整型变量
p
的共享指针,并使用删除器 Lambda 表达式来输出删除对象的地址和释放堆上分配的内存; - 在
sp.reset()
调用后,引用计数变为零,并且删除器被调用以释放内存。
(四)C++11和boost中智能指针的关系
首先,C++11引入了标准库中的智能指针,包括std::shared_ptr
和std::unique_ptr
。这些智能指针提供了管理资源所有权的机制,能够自动进行内存管理,避免了手动释放资源的麻烦。C++11的智能指针是通过引入新的语言特性和库支持来实现的。
Boost是一个流行的C++扩展库,它提供了大量的高质量、经过广泛测试和使用的 C++代码。在C++11标准引入智能指针之前,Boost已经提供了自己的智能指针库,包括boost::shared_ptr
和boost::scoped_ptr
等。这些智能指针在C++社区中被广泛使用,并受到了高度赞誉。
实际上,C++11标准库中的智能指针是受到Boost智能指针的影响和启发。C++11标准中的std::shared_ptr
和std::unique_ptr
的设计和功能基本上与Boost中的boost::shared_ptr
和boost::scoped_ptr
相当相似。C++11智能指针还引入了一些新的特性和改进,例如移动语义和自定义删除器等,以提供更好的性能和灵活性。
总结
到此,关于智能指针的讲解便全部结束了。接下来,简单的回顾并总结一下本文!!!
智能指针是一种用于自动管理动态分配资源的指针。它提供了自动化的内存管理,可以减少内存泄漏和悬挂指针等常见的资源管理问题。
常见的智能指针类型:
std::shared_ptr
:允许多个指针共享同一块内存资源,采用引用计数的方式进行内存管理。std::unique_ptr
:独占指针,保证只有一个指针可以访问资源,具有移动语义,可用于实现所有权的传递。std::weak_ptr
:弱引用指针,用于解决std::shared_ptr
循环引用导致的资源泄漏问题。
智能指针的优点:
- 自动释放资源:智能指针通过析构函数自动释放所管理的资源,避免了手动释放资源的繁琐过程。
- 避免内存泄漏:智能指针使用引用计数或独占所有权的方式,确保资源在不再被使用时正确释放,避免了内存泄漏问题。
- 提高安全性:智能指针可以减少悬挂指针和野指针的问题,提高程序的安全性和稳定性。
以上便是本文的全部内容,感谢大家的观看与支持!!!