一起聊聊C++中的智能指针

2022-11-13 12:11:51 智能指针聊聊

一：背景

我们知道 c++ 是手工管理内存的分配和释放，对应的操作符就是 new/delete 和 new[] / delete[], 这给了程序员极大的自由度也给了我们极高的门槛，弄不好就得内存泄露，比如下面的代码：


void test() {
	int* i = new int(10);
	*i = 10;
}

int main() {
	test();
}

这段代码因为用了 new 而忘了 delete，导致在 nt heap 上分配的 i 随着栈地址的回收而成了一块孤悬海外的内存占用，所以修正后的代码如下：

void test() {
	int* i = new int(10);
	*i = 10;

	delete i;
}

int main() {
	test();
}

但这种写法比较麻烦，智者千虑必有一失，总会有忘记加 delete 的时候，那怎么办呢？大家应该知道内存自动管理有两种手段。

1.引用计数

代表作有 python，PHP，还有 windows 的句柄管理。

2.引用跟踪

代表作有 C#，JAVA 等一众工程化语言。

因为引用计数实现比较简单，主要就是记录下对象的引用次数，次数为 0 则释放，所以可完全借助 类的构造函数析构函数 和 栈的自动回收特性 弄一个简单的引用计数，对应着如下四个关键词。

auto_ptr
shared_ptr
unique_ptr
weak_ptr

接下来我们逐个聊一聊。

二：关键词解析

1. auto_ptr

这是 C++ 最早出现一个的简单引用计数法，参考代码如下：

void test() {
	auto_ptr<int> ptr = auto_ptr<int>(new int(10));
}

int main() {
	test();
}

接下来看下汇编代码：

auto_ptr<int> ptr = auto_ptr<int>(new int(10));
...
00771D26 call std::auto_ptr<int>::auto_ptr<int> (07710FAh)
00771D2B lea ecx,[ebp-0D8h]
00771D31 call std::auto_ptr<int>::~auto_ptr<int> (0771159h)

可以看到，它分别调用了构造函数和析构函数，接下来找下 auto_ptr 这两个函数的源码。

class auto_ptr {

private:
	_Ty* _Myptr; // the wrapped object pointer

public:
	auto_ptr(auto_ptr_ref<_Ty> _Right) noexcept {
		_Ty* _Ptr = _Right._Ref;
		_Right._Ref = nullptr; // release old
		_Myptr = _Ptr; // reset this
	}

	~auto_ptr() noexcept {
		delete _Myptr;
	}
}

源码一看就明白了，在构造函数中，将 new int 的地址塞给了内部的 _Myptr 指针，在析构函数中对 _Myptr 进行 delete ，真好，这样就不用整天担心有没有加 delete 啦。

值得注意的是，现在 C++ 不推荐这个了，而是建议使用新增的：shared_ptr，unique_ptr，weak_ptr, 怎么说呢？ auto_ptr 有一个不好处理的问题，就是现实开发中会出现这么个场景，多个 ptr 指向同一个引用，如下图：

2. auto_ptr 多引用问题

方式1：

定义三个 ptr，然后包装同一个 new int 地址，参考代码如下：

void test() {
	int* i = new int(10);

	auto_ptr<int> ptr1(i);
	auto_ptr<int> ptr2(i);
	auto_ptr<int> ptr3(i);
}

这种写法有没有问题呢？肯定有问题啦，还记得 auto_ptr 的析构是 delete 吗？对同一块内存多次 delete 会抛异常的，如下图所示：

方式2：

既然定义三个有问题, 那就用赋值运算符= 让 ptr1,ptr2,ptr3 指向同一个地址是不是就可以啦？参考代码如下：

void test() {
	int* i = new int(10);

	auto_ptr<int> ptr1(i);
	auto_ptr<int> ptr2 = ptr1;
	auto_ptr<int> ptr3 = ptr2;
}

int main() {
	test();
}

那这段代码有没有问题呢？有没有问题得要看 = 运算符是如何重写的，扒一下源码看看。

template <class _Other>
auto_ptr& operator=(auto_ptr<_Other>& _Right) noexcept {
	reset(_Right.release());
	return *this;
}
_Ty* release() noexcept {
	_Ty* _Tmp = _Myptr;
	_Myptr = nullptr;
	return _Tmp;
}

从源码看有一个很恶心的点,他会将 _Right 下的 _Myptr 设为 nullptr,也就是说此时的 ptr1 报废了，言外之意就是后续再访问 ptr1 会抛访问违例。

哈哈，C++里面的专业术语叫控制权转移。

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一：背景

二：关键词解析

1. auto_ptr

2. auto_ptr 多引用问题