C++11智能指针解析——揭开底层面纱,完整理解智能指针

昨天跟同事小小的研究了下关于不同平台下的字节对齐问题,起因是遇到了一个坑,vs上没有问题,在安卓上却崩溃了。找了半天后发现是c++字节补齐问题,期间包括使用#pragma pack(1)来限定字节对齐方式等各种条件,也是把我们搞的七晕八素,总算是进一步了解了c++对象结构以及编译器的操作(有机会的话也补充下字节对齐的理解)。进而想到了智能指针,稍微了解下。第一次接触智能指针,天知道大学期间自己有多不努力,很多知识点都得留到现在来补齐,所以还是做做笔记吧。

 简断截说:c++的入门坑点大家都是有目共睹的,无非就是指针的理解不深导致一些野指针,内存泄露等问题,所以就不赘述。智能指针正好能够弥补这些问题,因为它本质是存放在栈的模板对象,只是在栈内部包了一层指针。而栈在其生命周期结束时,其中的指针指向的堆内存也自然被释放了。因而实现了智能管理的效果,不需要考虑内存问题了,其实有点类似某种单例写法,程序运行结束,也不用考虑单例对象内存问题。

本次讨论:c++11之前的auto_ptr; c++11新加的unique_ptr, shared_ptr以及weak_ptr。

头文件:#include<memory>

1.auto_ptr

auto_ptr是我第一个看的智能指针,也是标准库里的智能指针,有许多缺陷。

首先看下结构:

从图中可以看书也是一个模板,使用方法大致类似于vector模板。如下:

main函数如下:

正常用法是这样,然而我们可以再仔细翻看下底层:

从上图可以看出,该智能指针成员函数也与vector相似,很容易得出

1、base1.get():返回当前指针对象;

2、base1.release():清空当前智能指针对象,并返回类型指针。所以假如我们要正常删除,那么需要这样:

很麻烦对不对,没关系,还有第三个函数呢

3、base1.reset():从图中可看出,是重置智能指针,即把内存删除,且智能指针指向空,但类型不变,所以可以这样安全便捷地删除:

然而继续看,还有一个问题:

auto_ptr还重载了等号操作符,由图可知意思是把赋值智能指针的内存交给被赋值智能指针,即如下意思:

因此这样就有些问题,控制权可以随便转换,但是只有一个在用,用起来会受到诸多限制,所以有了下面的智能指针。

介绍之前先上一张别人的表格,来源:http://my.oschina.net/hevakelcj/blog/465978,这是c++11中的智能指针与boost库中的比较,原本boost就是为完善auto_ptr搞得这些,现在c++11有了,也就不需要再用咯。

2.unique_ptr

C++11引入了许多便捷的功能,其中也包括这个,在用之前我们可以先看下底层:

可以清楚的看到,unique_ptr中的拷贝构造和赋值操作符delete了,所以也就意味着,他和auto_ptr有区别,控制权唯一,不能随意转换。用法都差不多:

但是如果想切换控制权的话也不是没有办法,我们可以看到还有个这样的函数:

要理解这两个函数,首先要理解c++11引入的move和forward;而要理解move和forward得先理解左值和右值概念。所以还是讲全一点吧(已经了解的就直接跳过可以):

补充知识点:

1、左值与右值:

左值指的是既能够出现在等号左边也能出现在等号右边的变量(或表达式),右值指的则是只能出现在等号右边的变量(或表达式)。需要注意的是,左值是指表达式结束后依然存在的持久对象,而右值是指表达式结束时就不再存在的临时对象。T& 指向的是 lvalue,而 const T& 指向的,却可能是 lvalue 或 rvalue,左值引用&与右值引用&&(右值引用是c++11加上的)。

2、move和forward:

需要明确的是,move函数可以是用于构造函数,也可以用于赋值函数,但都需要手动显示添加。其实move函数用直白点的话来说就是省去拷贝构造和赋值时中间的临时对象,将资源的内存从一个对象移动到(共享也可以)另一个对象。官话是:c++11 中的 move() 是这样一个函数,它接受一个参数,然后返回一个该参数对应的右值引用。

std::forward<T>(u) 有两个参数:T 与 u。当T为左值引用类型时,u将被转换为T类型的左值,否则u将被转换为T类型右值。如此定义std::forward是为了在使用右值引用参数的函数模板中解决参数的完美转发问题。

其实这里说的不够清晰,下次翻译一篇国外的解释,阅读下来就能很好理解move这个概念了,这里先不深入。

回到这张图,这两个函数体也就很明朗了——重载move版本的拷贝构造函数以及重载move版本的等号赋值函数。

意思就是:把右值的对象(right)移动给左值(_myt&),并且右值清空。

那么用法来了:

其它的成员函数就不一一赘述,和auto_ptr大致上是相同的。总结,某种程度来说比auto_ptr更为安全,适用部分特殊情况。

3.shared_ptr

如果完全理解了上面两个ptr的底层,那么shared_ptr的也就容易理解多了。但是和前两者有很大区别——前两者控制权唯一,切换的时候把前面的清楚。而shared_ptr不会,照例看下底层:

很显然,可以直接赋值和调用拷贝构造函数,且不会清空原本的智能指针。用法就很简单了:

有个地方需要注意,当删除一个智能指针时,并不影响其它两个智能指针的继续使用。因为该片内存添加了一个引用计数,每shared_ptr一次,引用计数+1;每次调用析构函数,引用计数减一。直到最后一个智能指针删除,才会释放内存。

注意:
1、在继续查看时,你会发现以下两个函数:

其实就是和unique_ptr一样可以通过move来切换控制权,这个时候是切换,不是共享了。

2、接下来继续翻看,还有两个函数:

(其实auto_ptr也有,只是一样,没必要截图了)也就是说,auto_ptr和unique_ptr都可以通过move函数转换成shared_ptr类型,当然,一样是切换控制权的形式,即旧的置空。
用法如下:

4.weak_ptrred_ptr

weak_ptr更像是shared_ptr的助手:

1、他不像其余三种,可以通过构造函数直接分配对象内存;他必须通过shared_ptr来共享内存。
2、没有重载opreator*和->操作符,也就意味着即使分配到对象,他也没法使用该对象
3、不主动参与引用计数,即,share_ptr释放了,那么weak_ptr所存的对象也释放了。
4、使用成员函数use_count()可以查看当前引用计数,expired()判断引用计数是否为空。
5、lock()函数,返回一个shared_ptr智能指针:

也就是让weak_ptr观测shared_ptr智能指针,并且在需要时候通过lock函数返回一个shared_ptr。

6、此外,百科上说:助手类enable_shared_from_this的Shared_from_this会返回this的shared_ptr,所以只需让要被shared_ptr管理的类继承它即可。我倒是没试,有兴趣的可以试试,大致意思也就是这般。
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