c++ 智能指针 c++11 新特性——智能指针使用详解

时间:2021-02-05 鬼谷子com 人气:0

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c++11添加了新的智能指针，unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，同时也将auto_ptr置为废弃(deprecated)。

但是在实际的使用过程中，很多人都会有这样的问题：

不知道三种智能指针的具体使用场景
无脑只使用shared_ptr
认为应该禁用raw pointer(裸指针，即Widget*这种形式)，全部使用智能指针

初始化方法

class A
{
public:
  A(int size){ this->size = size; }
  A(){}
  void Show()
  {
    std::cout << "A::" << size << __FUNCTION__ << std::endl;
  }
private:
  int size = 5;
};
...
  //[1]
	auto p1 = std::make_shared<int>();
  auto p2 = std::make_shared<A>();
  //[2]
  std::shared_ptr<int> p3(new int(5));
  std::shared_ptr<A> p4(new A());
  //[3]
  std::shared_ptr<int> p5;
  p5.reset(new int(5));
  std::shared_ptr<A> p6;
  p6.reset(new A());

推荐使用第一种方法~

使用场景

unique_ptr

忘记delete

class Box{
public:
  Box() : w(new Widget())
  {}
  ~Box()
  {
    // 忘记delete w
  }
private:
  Widget* w;
};

异常安全

void process()
{
  Widget* w = new Widget();
  w->do_something(); // 可能会发生异常
  delete w;
}

shared_ptr

shared_ptr通常使用在共享权不明的场景。有可能多个对象同时管理同一个内存时。
对象的延迟销毁。陈硕在《Linux多线程服务器端编程》中提到，当一个对象的析构非常耗时，甚至影响到了关键线程的速度。可以使用BlockingQueue<std::shared_ptr<void>>将对象转移到另外一个线程中释放，从而解放关键线程。

weak_ptr

weak_ptr是为了解决shared_ptr双向引用的问题。即：

class B;
struct A{
  shared_ptr<B> b;
};
struct B{
  shared_ptr<A> a;
};
auto pa = make_shared<A>();
auto pb = make_shared<B>();
pa->b = pb;
pb->a = pa;

pa和pb存在着循环引用，根据shared_ptr引用计数的原理，pa和pb都无法被正常的释放。

对于这种情况, 我们可以使用weak_ptr：

class B;
struct A{
  shared_ptr<B> b;
};
struct B{
  weak_ptr<A> a;
};
auto pa = make_shared<A>();
auto pb = make_shared<B>();
pa->b = pb;
pb->a = pa;

weak_ptr不会增加引用计数，因此可以打破shared_ptr的循环引用。

通常做法是parent类持有child的shared_ptr, child持有指向parent的weak_ptr。这样也更符合语义。

性能

1.unique_ptr

因为C++的zero cost abstraction的特点，unique_ptr在默认情况下和裸指针的大小是一样的。

所以内存上没有任何的额外消耗，性能是最优的。

2.shared_ptr

存占用高 shared_ptr的内存占用是裸指针的两倍。因为除了要管理一个裸指针外，还要维护一个引用计数。因此相比于unique_ptr, shared_ptr的内存占用更高
原子操作性能低考虑到线程安全问题，引用计数的增减必须是原子操作。而原子操作一般情况下都比非原子操作慢。
使用移动优化性能 shared_ptr在性能上固然是低于unique_ptr。而通常情况，我们也可以尽量避免shared_ptr复制。如果，一个shared_ptr需要将所有权共享给另外一个新的shared_ptr，而我们确定在之后的代码中都不再使用这个shared_ptr，那么这是一个非常鲜明的移动语义。对于此种场景，我们尽量使用std::move，将shared_ptr转移给新的对象。因为移动不用增加引用计数，因此性能比复制更好。

对象所有权

首先需要理清楚的概念就是对象所有权的概念。所有权在rust语言中非常严格，写rust的时候必须要清楚自己创建的每个对象的所有权。

但是C++比较自由，似乎我们不需要明白对象的所有权，写的代码也能正常运行。但是明白了对象所有权，我们才可以正确管理好对象生命周期和内存问题。

C++引入了智能指针，也是为了更好的描述对象所有权，简化内存管理，从而大大减少我们C++内存管理方面的犯错机会。

unique_ptr

我们大多数场景下用到的应该都是unique_ptr。

unique_ptr代表的是专属所有权，即由unique_ptr管理的内存，只能被一个对象持有。

所以，unique_ptr不支持复制和赋值，如下：

auto w = std::make_unique<Widget>();
auto w2 = w; // 编译错误

如果想要把w复制给w2, 是不可以的。因为复制从语义上来说，两个对象将共享同一块内存。

因此，unique_ptr只支持移动, 即如下：

auto w = std::make_unique<Widget>();
auto w2 = std::move(w); // w2获得内存所有权，w此时等于nullptr

unique_ptr代表的是专属所有权，如果想要把一个unique_ptr的内存交给另外一个unique_ptr对象管理。只能使用std::move转移当前对象的所有权。转移之后，当前对象不再持有此内存，新的对象将获得专属所有权。

如上代码中，将w对象的所有权转移给w2后，w此时等于nullptr，而w2获得了专属所有权。

shared_ptr

在使用shared_ptr之前应该考虑，是否真的需要使用shared_ptr, 而非unique_ptr。

shared_ptr代表的是共享所有权，即多个shared_ptr可以共享同一块内存。

因此，从语义上来看，shared_ptr是支持复制的。如下：

auto w = std::make_shared<Widget>();
{
  auto w2 = w;
  cout << w.use_count() << endl; // 2
} 
cout << w.use_count() << endl; // 1

shared_ptr内部是利用引用计数来实现内存的自动管理，每当复制一个shared_ptr，引用计数会+1。当一个shared_ptr离开作用域时，引用计数会-1。当引用计数为0的时候，则delete内存。

同时，shared_ptr也支持移动。从语义上来看，移动指的是所有权的传递。如下：

auto w = std::make_shared<Widget>();
auto w2 = std::move(w); // 此时w等于nullptr，w2.use_count()等于1

我们将w对象move给w2，意味着w放弃了对内存的所有权和管理，此时w对象等于nullptr。

而w2获得了对象所有权，但因为此时w已不再持有对象，因此w2的引用计数为1。

指针作为函数传参

只在函数使用指针，但并不保存

假如我们只需要在函数中，用这个对象处理一些事情，但不打算涉及其生命周期的管理，不打算通过函数传参延长shared_ptr的生命周期。

对于这种情况，可以使用raw pointer或者const shared_ptr&。

即:

void func(Widget*);
void func(const shared_ptr<Widget>&)

实际上第一种裸指针的方式可能更好，从语义上更加清楚，函数也不用关心智能指针的类型。

在函数中保存智能指针

假如我们需要在函数中把这个智能指针保存起来，这个时候建议直接传值。void func(std::shared_ptr ptr);这样的话，外部传过来值的时候，可以选择move或者赋值。函数内部直接把这个对象通过move的方式保存起来。这样性能更好，而且外部调用也有多种选择。

为什么要用shared_from_this

我们往往会需要在类内部使用自身的shared_ptr，例如：

class A
{
public:
private:
  std::shared_ptr<widget> widget;
}

class Widget
{
public:
  void do_something(A& a)
  {
    a.widget = std::make_shared<Widget>(this);
  }
}

我们需要把当前shared_ptr对象同时交由对象a进行管理。意味着，当前对象的生命周期的结束不能早于对象a。因为对象a在析构之前还是有可能会使用到a.widget。

如果我们直接a.widget = this;，那肯定不行，因为这样并没有增加当前shared_ptr的引用计数。shared_ptr还是有可能早于对象a释放。

如果我们使用a.widget = std::make_shared<Widget>(this);，肯定也不行，因为这个新创建的shared_ptr，跟当前对象的shared_ptr毫无关系。当前对象的shared_ptr生命周期结束后，依然会释放掉当前内存，那么之后a.widget依然是不合法的。

对于这种，需要在对象内部获取该对象自身的shared_ptr, 那么该类必须继承std::enable_shared_from_this<T>。代码如下:

class Widget : public std::enable_shared_from_this<Widget>
{
public:
  void do_something(A& a)
  {
    a.widget = shared_from_this();
  }  
}

这样才是合法的做法。

总结

1.重点理解三种智能指针的使用场景，

unique_ptr性能高，没有特殊要求的话可以直接用来取代raw pointer(原始指针)。
shared_ptr开销大，在前者不能满足的场景例如需要多个智能指针同时拥有同一个控件的所有权的时候使用。
weak_ptr不单独使用，通常用来配合shared_ptr使用，避免循环引用的问题。

2.优点：

不用手动管理内存，尤其是根本不知道释放时机的时候

3.缺点：

shared_ptr的内存占用高（多了一个引用计数），对多线程不友好（对引用计数的操作要原子性）

写起来麻烦

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