C++之智能指针初步及弃用auto_ptr的原因分析

2023-03-23 14:03:03 auto 智能 指针

RAII

使用局部对象来管理资源的技术

RAII的原理

RAII的四个步骤

裸指针存在的问题

delete后的指针变量就变成了一个失效指针(也叫作悬空指针)。

对于下面的代码:

void Destroy(Object *op)
{
	delete op;
	delete[] op;
}

Object *op = new Object(10);
Object *arop = new Object[10];

Destroy(op);
Destroy(arop);

因此:

智能指针

智能指针的引入

智能指针是比原始指针更加智能的类,解决悬空指针多次删除被指向对象,以及资源泄漏问题,通常用来确保指针的寿命和其指向对象的寿命一致。

智能指针虽然很智能,很容易被误用,智能也是有代价的。

四种智能指针

  • auto_ptr
  • unqiue_ptr(唯一性智能指针)
  • shared_ptr(共享性智能指针)
  • weak_ptr(管理弱引用)

其中后三个是C11支持,并且第一个已经被C11弃用。

C98中的auto_ptr所做的事情,就是动态分配对象以及当对象不再需要时自动执行清理。

下面我们首先来了解一下为什么要将auto_ptr移除的原因:

因为该类型的智能指针意义不明确,使用浅拷贝方式时,两个对象拥有同一块资源:我们模仿源码的逻辑

了解一下:比如下面的代码:

class Object
{
    int value;
public:
    Object(int x = 0):value(x){cout<<"Create Object:"<<this<<endl;}
    ~Object(){cout<<"Destroy Object:"<<this<<endl;}

    int  & Value(){return value;}
    const int& Value() const{return value;}
};

template<class _Ty>
class my_auto_ptr
{
private:
    bool _Owns;//所有权
    _Ty* _Ptr;
public:
    my_auto_ptr(_Ty* p = NULL):_Owns(p != NULL),_Ptr(p){}
    ~my_auto_ptr()
    {
        if(_Owns)
        {
            delete _Ptr;
        }
        _Owns = false;
        _Ptr = NULL;
    }
    _Ty* get() const 
    {
        return _Ptr;
    }
    _Ty* operator->()const
    {
        return get();
    }
    _Ty & operator*()
    {
        return *get();
    }
    void reset(_Ty* p = NULL) 
    {
       if(_Owns)
       {
           delete _Ptr;
       }
       _Ptr = p;
    }
    _Ty * release()const//编译要通过,要么异变,要么强转成普通指针
    {
        _Ty* tmp = NULL;
        if(_Owns)
        {
            ((my_auto_ptr*)this)->_Owns = false;
            tmp = _Ptr;
            ((my_auto_ptr*)this)->_Ptr = NULL;
        }
        return tmp;
    }
    my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns)
    {
        if(_Owns)
        {
            _Ptr = op._Ptr;
        }
    }
};

void fun()
{
    my_auto_ptr<Object> pobj(new Object(10));//pobj是my_auto_ptr类型
    cout<<pobj->Value()<<endl;
    cout<<(*pobj).Value()<<endl;//(*pobj)是Object的堆区对象。*(pobj._Ptr).Value()
}
int main()
{
    my_auto_ptr<Object> pobja(new Object(10));
    my_auto_ptr<Object> pobjb(pobja);
}

相关函数解释:

此时程序必然会导致程序崩溃引发异常,主函数结束时对同一部分资源释放了两次,堆内存被释放两次

那么我们可能会考虑,将资源转移,即修改拷贝构造如下:利用是释放函数

my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns),_Ptr(op.release())
    {}

看似好像解决了上面的问题,实则存在隐患

继续来看:下面的代码存在什么问题呢?

void fun(my_auto_ptr<Object> apx)
{
    int x = apx->Value();
    cout<<x<<endl;
}

int main()
{
    my_auto_ptr<Object> pobja(new Object(10));
    
    fun(pobja);

    int a = pobja->Value();
    cout<<a<<endl;
}

上述代码的执行逻辑如下:

  • pobja有两个域拥有权域和指针域,拿pobja初始化形参apx时,会调动拷贝构造函数
  • apx将自己的拥有权域设为1,调动release函数,销毁了pobja对象的资源后,返回堆区对象的地址,apx接收后将自身的指针域指向原先pobja所指向的堆区对象
  • fun函数结束,apx局部对象就会被析构,此时再打印a,对象其实已经不存在了并且自身早已失去了pobja的拥有权。

综上,此时智能指针的拷贝构造函数的两种写法:

 my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns)
    {
        if(_Owns)
        {
            _Ptr = op._Ptr;
        }
    }
   
 my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns),_Ptr(op.release())
    {}
  • 第一种存在的问题:Object的资源会被两个释放两次
  • 第二种存在的问题:解决了第一种问题,但是不能解决类似于实参对象初始化形参时,实参之前自身的资源丢失的问题,找不着了,因为这种情况太过于隐蔽,容易出错,所以auto_ptr作为函数参数传递时一定要避免的。或许你想到加上引用解决上面的问题,但是仔细思考后发现,我们并不知道函数对传入的传入的auto_ptr做了什么,如果当中的某些操作使其失去了对对象的所有权,那么这还可能会导致致命的执行期错误。获取再加上const 才是个不错的选择。

因此,C11标准之前的auto_ptr这个智能指针不被广泛使用的原因就是:在某些应用场景下,拷贝构造函数的意义不明确,同理赋值语句也是这个道理,意义同样不明确,因为C11标准之前并不存在移动赋值和移动构造的概念,还有就是之前谈到的一个对象和一组对象的问题,对于自定义类型而言,auto_ptr的析构函数仅能够析构一个对象,不能够处理一组对象的情况,这些都是尚未解决的问题。

于是在C11中弃用,C17标准中直接移除。 

历史渊源:

在STL库之前,有一个功能更加强大的boost库,STL为了与其抗衡,应急制造了STL,但制作的不够完善,由此因为STL未解决auto_ptr的问题,因此STl内的容器vector和list都不想和auto_ptr建立联系。

总结

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持。

相关文章