C++：智能指针shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr的概念、用法即它们之间的关系

2024-07-18 16:46:01
开发
26

智能指针

(1)概述

A.Why（C++为什么引入智能指针）

C++引入智能指针的根本原因就是解决手动管理动态内存所带来的问题，手动管理动态内存常见的问题如下：内存泄漏、悬挂指针、释放操作未定义等

内存泄漏问题：

当程序用光了它可用的动态内存空间，new就会报错

int *p = new int; //*p的值未定义
int *p2 = new int(); //*p的值初始化为0
//程序用光了它可用的堆内存空间
int *pn = new int; //此时将会抛出异常：std::bad_alloc
int *pn_noThrow = new (nothrow) int; //如果分配失败，将返回空指针nullptr

悬挂指针问题：

当使用delete释放了指向动态内存空间的指针p时，指针p就成为了一个悬挂指针（即在有的机器中，指针p还保存着曾经的内存地址）,因此在手动管理动态内存空间的时候，一定要在delete之后将对应指针置为nullptr或0

int *ptr = new int();
delete ptr;
ptr = nullptr; //避免悬挂指针从而引起的未定义定位（不可预知行为）

释放操作未定义问题：

释放一块非new分配的内存或将相同的指针释放多次，其行为是未定义的

B.What（什么是智能指针）

本质是一个封装了原始指针的模板类，在适当的时候（生命周期结束时）自动释放所管理的动态内存

C.Which（有哪些智能指针）

shared_ptr
weak_ptr
unique_ptr

智能指针	所有权	内存释放
shared_ptr	多个 std::shared_ptr 共享所有权	通过内部的引用计数机制，当引用计数为 0 时，自动释放内存
weak_ptr	不拥有所指向对象的所有权，它只是对 std::shared_ptr 的一种弱引用	-
unique_ptr	独占所有权	当 std::unique_ptr 超出其作用域时，自动释放所管理的内存

(2)How（如何使用智能指针）

C++中的智能指针，其本质都是类模板，因此在学习智能指针的时，我们可以像对待普通类对象一样使用智能指针对象。正是因为它的本质是类对象，因此使用智能指针的一般流程如下：创建智能指针对象和调用智能指针对象的方法

A.智能指针类的成员变量

shared_ptr智能指针：

成员数据	说明
T *ptr	存放实际数据的动态内存地址
int iCount	计数器，用于记录有多少个shared_ptr共享同一块内存空间
deleter	删除器，本质是一个函数对象，自定义资源释放的行为

unique_ptr智能指针：

成员数据	说明
T *ptr	存放实际数据的动态内存地址
deleter	删除器，本质是一个函数对象，自定义资源释放的行为

weak_ptr智能指针：

weak_ptr 是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，它指向由一个 shared_ptr 管理的对象。将一个 weak_ptr 绑定到一个 shared_ptr 不会改变 sharedptr 的引用计数。一旦最后一个指向对象的 shared_ptr 被销毁，对象就会被释放。即使有 weakptr 指向对象，对象也还是会被释放，因此，weak_ptr 的名字抓住了这种智能指针“弱”共享对象

所以说weak_ptr可以说没有成员数据

B.智能指针类的成员函数

shared_ptr智能指针：

成员函数	说明
`constexpr shared_ptr() noexcept = default;`	默认的构造函数
`constexpr shared_ptr(nullptr_t) noexcept {}`	带空指针的构造函数
`explicit shared_ptr(T* ptr)`	传入指向堆内存的一般指针
`void swap(shared_ptr& _Other) noexcept`	交换两个智能指针所管理的内存
`void reset() noexcept`	释放资源
`remove_extent_t<_Ty>* get() const noexcept`	得到所管理动态内存的地址
`bool unique() const noexcept`	是否只有一个引用
`long use_count() const noexcept`	返回shared_ptr对象的引用数

在这里插入图片描述

unique_ptr智能指针：

成员函数	说明
`constexpr unique_ptr() noexcept`	默认的构造函数
`constexpr unique_ptr(nullptr_t) noexcept`	带空指针的构造函数
`explicit unique_ptr(pointer _Ptr) noexcept`	传入指向堆内存的一般指针
`void swap(shared_ptr& _Right ) noexcept`	交换两个智能指针所管理的内存
`_Dx& get_deleter() noexcept`	得到删除器对象
`pointer release() noexcept`	释放所管理动态内存的地址
`void reset(pointer _Ptr = nullptr) noexcept`	如果reset函数带有参数，则会释放当前指向的对象，并将unique_ptr指向新的对象

在这里插入图片描述

weak_ptr智能指针：

成员函数	说明
`constexpr weak_ptr() noexcept = default;`	默认的构造函数
`weak_ptr(const weak_ptr& _Other) noexcept`	拷贝构造函数
`weak_ptr(const shared_ptr<_Ty2>& _Other) noexcept`	带shared_ptr对象的构造函数
`void swap(weak_ptr& _Other) noexcept`	交换两个智能指针所管理的内存
`void reset() noexcept`	释放资源
`bool expired() const noexcept`	use_count()为0时返回true
`shared_ptr<_Ty> lock() const noexcept`	转为shared_ptr对象
`long use_count() const noexcept`	返回对应shared_ptr对象的引用数

在这里插入图片描述

(3)使用智能指针需要注意的事项

不要混合使用常规指针和智能指针

使用内置指针访问智能指针管理的对象是危险的，无法知道对象何时被销毁
不要使用get()函数初始化另一个智能指针或为另一个智能指针赋值
不 deleteget()返回的指针
不使用相同的内存指针初始化（reset）多个智能指针
如果智能指针所管理的内存不是 new 分配的内存，要传递一个删除器

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