c++ 中的智能指针
2020-03-15 16:04:32来源:博客园 阅读 ()
c++ 中的智能指针
内存泄漏、指针操作符重载、类模板技术、auto_ptr 指针目录
1. 初识智能指针
1.1 内存泄漏的原因分析
1.2 内存泄漏的解决方案
2. 智能指针类模板
2.1 智能指针的意义
2.2 STL 中的智能指针应用
2.3 QT 中的智能指针应用
2.4 智能指针模板类的实现
初识智能指针
在c++语言中没有垃圾回收机制,内存泄漏这个问题就不得不让程序员自己来解决,稍有不慎就会给软件带来Bug,幸运的是我们可以使用智能指针去解决内存泄漏的问题。
1、 内存泄漏的原因分析
(1)动态申请堆空间,用完后不归还;
(2)C++ 语言中没有垃圾回收的机制;
1)Java、C# 语言中都引入了垃圾回收机制,定期检测内存,若发现没有使用,则回收;
2)垃圾回收机制可以很好的避免内存泄漏;
3)C++ 中的动态内存申请和归还完全依赖开发者,稍有不慎就会出错;
(3)指针无法控制所指堆空间的生命周期;(根本原因)
1)通过指针可以指向动态内存空间,但是却不能够控制动态内存空间的生命周期;
2)也就是指针和动态内存空间没有必然联系,即使指针变量销毁了,动态内存空间还可以存在;
补充:多次释放多个指针指向的同一块堆空间也会使软件出现Bug;
1 #include <iostream> 2 #include <string> 3 4 using namespace std; 5 6 class Test 7 { 8 int i; 9 public: 10 Test(int i) 11 { 12 this->i = i; 13 } 14 int value() 15 { 16 return i; 17 } 18 ~Test() 19 { 20 } 21 }; 22 23 int main() 24 { 25 for(int i=0; i<5; i++) 26 { 27 // 指针p指向所申请的堆空间,但是并没有手动归还这块内存;当进行下一次循环时,指针p又指向了一块新的堆空间,这样前一次的堆空间就永远无法归还了, 28 // 同时,指针p是一个局部变量,for循环结束后指针P就销毁了,这就意味着这片空间永远无法归还了; 29 Test* p = new Test(i); 30 31 cout << p->value() << endl; 32 33 // delete p; // 正确做法:每次用完之后记得归还所申请的堆空间,否则就会造成内存泄漏 34 } 35 36 return 0; 37 }关于内存泄漏的案列
2、内存泄漏的解决方案
需求分析 -> 解决方案:(结合案列更容易理解)
(1)需要一个特殊的指针,即智能指针对象(普通类对象,通过重载指针操作符就可以使对象指向堆空间),通过类的构造函数完成;
(2)指针生命周期结束时主动释放堆空间,可以通过类的析构函数完成;
(3)一片堆空间最多只能由一个指针标识,为的是避免多次释放内存,通过拷贝构造函数和赋值操作符完成;
(4)杜绝指针运算和指针比较;
1) 杜绝指针运算可以避免指针越界和野指针;
2)上面的第三个需求满足了,指针比较就没有意义了;
3)不重载类的运算符(算术运算符、关系运算符、++、--),当进行指针(类对象)运算与比较时,程序会编译失败。
(5)重载指针特征操作符(-> 和 *);
1)通过重载指针操作符使得类对象具备了指针的行为;
2)创建一个类对象,让这个对象通过操作符重载模拟真正的指针行为;
注:只能通过类的成员函数重载指针操作符,且该重载函数不能使用参数;
通过类的成员函数重载指针特征操作符,从而使得类对象可以模拟指针的行为,这个类对象称为智能指针。
使用智能指针的注意事项:只能指向堆空间的对象或变量,不允许指向栈对象。
智能指针的表现形象:使用类对象来取代指针。
1 #include <iostream> 2 3 using namespace std; 4 5 class Test 6 { 7 int i; 8 public: 9 Test(int i) 10 { 11 cout << "Test(int i)::" << i << endl; 12 this->i = i; 13 } 14 int value() 15 { 16 return i; 17 } 18 ~Test() 19 { 20 cout << "~Test()::" << i << endl; 21 } 22 }; 23 24 class Pointer 25 { 26 private: 27 Test *mp; 28 public: 29 Pointer(Test *p = NULL) 30 { 31 mp = p; 32 } 33 Pointer(const Pointer& obj) 34 { 35 mp = obj.mp; 36 const_cast<Pointer&>(obj).mp = NULL; 37 } 38 Pointer& operator=(const Pointer& obj) 39 { 40 if(this != &obj) 41 { 42 if(mp != NULL) 43 { 44 delete mp; 45 } 46 mp = obj.mp; 47 const_cast<Pointer&>(obj).mp = NULL; 48 } 49 50 return *this; 51 } 52 Test* operator->() 53 { 54 return mp; 55 } 56 Test& operator*() 57 { 58 return *mp; 59 } 60 bool isNull() 61 { 62 return (mp == NULL); 63 } 64 ~Pointer() 65 { 66 delete mp; 67 } 68 69 }; 70 71 int main(int argc, char const *argv[]) 72 { 73 cout << "-------1-------------" << endl; 74 Pointer pt1 = new Test(10); // Test(int i)::10 75 cout << pt1->value() << endl; // 10 76 cout << (*pt1).value() << endl; // 10 77 78 cout << "-------2-------------" << endl; 79 Pointer pt2 = new Test(5); // Test(int i)::5 80 cout << pt2->value() << endl; // 5 81 82 cout << "-------3-------------" << endl; 83 Pointer pt3 = pt2; // 将指针pt2的使用权交给指针pt3 84 cout << pt2.isNull() << endl; // 1 85 cout << pt3->value() << endl; // 5 86 87 cout << "-------4-------------" << endl; 88 pt3 = pt1; // 将指针pt1的使用权交给指针pt3 // ~Test()::5 89 cout << pt1.isNull() << endl; // 1 90 91 cout << "-------5-------------" << endl; 92 Pointer pt4; 93 pt4 = pt3; // 将指针pt3的使用权交给指针pt4 // ~Test()::10 94 cout << pt3.isNull() << endl; // 1 95 96 return 0; 97 } 98 99 /** 100 * 智能指针的需求: 101 * 指针的生命周期结束时,主动的释放堆空间 102 * 一片堆空间最多只能由一个指针标识 103 * 杜绝指针运算和指针比较 104 * 105 * 使用智能指针的注意事项:只能指向堆空间的对象或变量,不允许指向栈变量 106 * 智能指针的表现形象:使用类对象来取代指针 107 * 108 */智能指针的实现
注:这个案列只实现了一个类的内存回收,关于任意类的内存回收,会在后续的模板技术中介绍。
智能指针类模板
知识回顾
由于智能指针相关的类重载了指针操作符 ,所以其对象可以像原生的指针一样使用,本质上智能指针对象就是类对象。但是,此时的智能指针对象有很大的局限性,不能灵活的指向任意的类对象。为了解决这个问题,智能指针类模板就出现了。
1、智能指针的意义
(1)现代 C++ 开发库中最重要的类模板之一;(如 STL 标准库、Qt )
(2)是C++开发中自动内存管理的主要手段;
(3)能够在很大程度上避开内存相关的问题。
2、STL中的智能指针应用
(1) auto_ptr
1)生命周期结束时,销毁指向的内存空间;(避免只借不还的现象出现)
2)不能指向堆数组,只能指向堆对象(变量);(若需要使用堆数组,我们可以自己实现内存回收机制)
3)一片堆空间只属于一个智能指针对象;或者,多个智能指针对象不能指向同一片堆空间;(避免多次释放同一个指针;)
(2)shared_ptr
带有引用计数机制,支持多个指针对象指向同一片内存;
(3)weak_ptr
配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针;
(4)unique_ptr
一个指针对象指向一片内存空间,不能拷贝构造和赋值(auto_ptr 的进化版,没有使用权的转移);
1 #include <iostream> 2 #include <string> 3 #include <memory> // 智能指针类模板的头文件 4 5 using namespace std; 6 7 class Test 8 { 9 string m_name; 10 public: 11 Test(const char* name) 12 { 13 cout << "construct @" << name << endl; 14 15 m_name = name; 16 } 17 18 void print() 19 { 20 cout << "member @" << m_name << endl; 21 } 22 23 ~Test() 24 { 25 cout << "destruct @" << m_name << endl; 26 } 27 }; 28 29 int main() 30 { 31 auto_ptr<Test> pt(new Test("smartPoint")); 32 33 cout << "pt = " << pt.get() << endl; // pt.get() 返回指针所指向数组的首地址 34 35 pt->print(); 36 37 cout << endl; 38 39 auto_ptr<Test> pt1(pt); // pt 转移了对堆空间的控制权,指向 NULL; 40 41 cout << "pt = " << pt.get() << endl; 42 cout << "pt1 = " << pt1.get() << endl; 43 44 pt1->print(); 45 46 return 0; 47 } 48 /** 49 * 运行结果: 50 * construct @smartPoint 51 * pt = 0x1329c20 52 * member @smartPoint 53 * 54 * pt = 0 55 * pt1 = 0x1329c20 56 * member @smartPoint 57 * destruct @smartPoint 58 * /auto_ptr 使用案列
3、QT 中的智能指针应用
(1)QPointer
1)当其指向的对象被销毁(释放)时,它会被自动置空;
可以使用多个 QPointer 智能指针指向同一个对象,当这个对象被销毁的时候,所有的智能指针对象都变为空,这可以避免多次释放和野指针的问题。
2)析构时不会自动销毁所指向的对象;(!!!)
也就是当 QPointer 对象生命周期完结的时候,不会自动销毁堆空间中的对象,需要手动销毁;
(2)QSharedPointer(和 STL中shared_ptr 相似)
1)引用计数型智能指针(引用计数的对象是堆空间申请的对象);
2)可以被自由地拷贝和赋值;
3)当引用计数为 0 时,才删除指向的对象;(这个智能指针对象生命周期结束后,引用计数减一)
(3)其它的智能指针(QweakPointer;QScopedPointer;QScopedArrayPointer;QSharedDataPointer;QExplicitlySharedDataPointer;)
为什么QT要重新开发自己的内存管理机制,而不直接使用已有的STL中智能指针?
这个和它的架构开发思想相关,因为 Qt 有自己的内存管理思想,但是这些思想并没有在 STL 中实现,为了将这种内存管理思想贯彻到 Qt 中的方方面面,所以Qt 才开发自己的智能指针类模板。
1 #include <QPointer> 2 #include <QSharedPointer> 3 #include <QDebug> 4 5 class Test : public QObject // Qt 开发中都要将类继承自 QObject 6 { 7 QString m_name; 8 public: 9 Test(const char* name) 10 { 11 qDebug() << "construct @" << name; 12 13 m_name = name; 14 } 15 16 void print() 17 { 18 qDebug() << "member @" << m_name; 19 } 20 21 ~Test() 22 { 23 qDebug() << "destruct @" << m_name ; 24 } 25 }; 26 27 int main() 28 { 29 QPointer<Test> pt(new Test("smartPoint")); 30 QPointer<Test> pt1(pt); 31 QPointer<Test> pt2(pt); 32 33 pt->print(); 34 pt1->print(); 35 pt2->print(); 36 37 delete pt; // 手工删除,这里只用删除一次就可,上述三个指针都指向NULL; 38 39 qDebug() << "pt = " << pt; 40 qDebug() << "pt1 = " << pt1; 41 qDebug() << "pt2 = " << pt2; 42 43 qDebug() << "QPointer 与 QSharedPointer 的区别" << endl; 44 45 QSharedPointer<Test> spt(new Test("smartPoint")); // 引用计数是相对于 Test("smartPoint") 对象而言; 46 QSharedPointer<Test> spt1(spt); 47 QSharedPointer<Test> spt2(spt); 48 49 spt->print(); 50 spt1->print(); 51 spt2->print(); 52 53 return 0; 54 } 55 56 /** 57 * 运行结果: 58 * construct @ smartPoint 59 * member @ "smartPoint" 60 * member @ "smartPoint" 61 * member @ "smartPoint" 62 * destruct @ "smartPoint" 63 * pt = QObject(0x0) 64 * pt1 = QObject(0x0) 65 * pt2 = QObject(0x0) 66 * 67 * QPointer 与 QSharedPointer 的区别 68 * 69 * construct @ smartPoint 70 * member @ "smartPoint" 71 * member @ "smartPoint" 72 * member @ "smartPoint" 73 * destruct @ "smartPoint" 74 * /QPointer 和 QSharedPointer 使用案列
4、智能指针模板类的实现
参照 auto_ptr 的设计,同样会在拷贝构造函数和赋值操作符中发生堆空间控制权的转移。
1 // smartPointer.hpp 智能指针模板类 2 #ifndef SMARTPOINTER_H 3 #define SMARTPOINTER_H 4 5 template 6 <typename T> 7 class SmartPointer 8 { 9 private: 10 T *mp; 11 public: 12 SmartPointer(T *p = 0); 13 SmartPointer(const SmartPointer<T>& obj); 14 SmartPointer<T>& operator=(const SmartPointer<T>& obj); 15 T* operator->(); 16 T& operator*(); 17 bool isNull(); 18 T* get(); 19 ~SmartPointer(); 20 21 }; 22 23 template 24 <typename T> 25 SmartPointer<T>::SmartPointer(T *p) 26 { 27 mp = p; 28 } 29 30 template 31 <typename T> 32 SmartPointer<T>::SmartPointer(const SmartPointer<T>& obj) 33 { 34 mp = obj.mp; 35 const_cast<SmartPointer&>(obj).mp = 0; 36 } 37 38 template 39 <typename T> 40 SmartPointer<T>& SmartPointer<T>::operator=(const SmartPointer<T>& obj) 41 { 42 if(this != &obj) 43 { 44 if(mp != 0) 45 { 46 delete mp; 47 } 48 mp = obj.mp; 49 const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).mp = 0; 50 } 51 52 return *this; 53 } 54 55 template 56 <typename T> 57 T* SmartPointer<T>::operator->() 58 { 59 return mp; 60 } 61 62 template 63 <typename T> 64 T& SmartPointer<T>::operator*() 65 { 66 return *mp; 67 } 68 69 template 70 <typename T> 71 bool SmartPointer<T>::isNull() 72 { 73 return (mp == 0); 74 } 75 76 template 77 <typename T> 78 T* SmartPointer<T>::get() 79 { 80 return mp; 81 } 82 83 template 84 <typename T> 85 SmartPointer<T>::~SmartPointer() 86 { 87 delete mp; 88 } 89 90 #endif 91 92 // main.cpp 测试文件 93 94 #include <iostream> 95 #include "test.hpp" 96 97 using namespace std; 98 99 class Test 100 { 101 string m_name; 102 public: 103 Test(const char* name) 104 { 105 cout << "construct @" << name << endl; 106 107 m_name = name; 108 } 109 110 void print() 111 { 112 cout << "member @" << m_name << endl; 113 } 114 115 ~Test() 116 { 117 cout << "destruct @" << m_name << endl; 118 } 119 }; 120 121 class Demo 122 { 123 string m_name; 124 public: 125 Demo(const char* name) 126 { 127 cout << "construct @" << name << endl; 128 129 m_name = name; 130 } 131 132 void print() 133 { 134 cout << "member @" << m_name << endl; 135 } 136 137 ~Demo() 138 { 139 cout << "destruct @" << m_name << endl; 140 } 141 }; 142 143 144 145 int main(int argc, char const *argv[]) 146 { 147 SmartPointer<Test> pt(new Test("SmartPointer Template <Test>")); 148 149 cout << "pt = " << pt.get() << endl; 150 151 pt->print(); 152 153 cout << endl; 154 155 SmartPointer<Test> pt1(pt); 156 157 cout << "pt = " << pt.get() << endl; 158 cout << "pt1 = " << pt1.get() << endl; 159 160 pt1->print(); 161 162 //--------------------------------------------------------------- 163 cout << "--------------------------------------------" << endl; 164 165 SmartPointer<Demo> spt(new Demo("SmartPointer Template <Demo>")); 166 167 cout << "spt = " << spt.get() << endl; 168 169 spt->print(); 170 171 cout << endl; 172 173 SmartPointer<Demo> spt1(spt); 174 175 cout << "spt = " << spt.get() << endl; 176 cout << "spt1 = " << spt1.get() << endl; 177 178 spt1->print(); 179 180 return 0; 181 } 182 /** 183 * 运行结果: 184 * construct @SmartPointer Template <Test> 185 * pt = 0x17bcc20 186 * member @SmartPointer Template <Test> 187 * 188 * pt = 0 189 * pt1 = 0x17bcc20 190 * member @SmartPointer Template <Test> 191 * ----------------------------------------- 192 * construct @SmartPointer Template <Demo> 193 * spt = 0x17bd090 194 * member @SmartPointer Template <Demo> 195 * 196 * spt = 0 197 * spt1 = 0x17bd090 198 * member @SmartPointer Template <Demo> 199 * destruct @SmartPointer Template <Demo> 200 * destruct @SmartPointer Template <Test> 201 */auto_ptr 类模板实现案列
本节总结:
智能指针能够尽可能的避开内存相关的问题,主要表现在:
(1)内存泄漏
(2)多次释放
原文链接:https://www.cnblogs.com/nbk-zyc/p/12427990.html
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