【重學C++】02 脫離指針陷阱：深入淺出 C++ 智能指針

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【重學C++】02 脫離指針陷阱：深入淺出 C++ 智能指針

前言

大家好，今天是【重學C++】系列的第二講，我們來聊聊C++的智能指針。

為什麼需要智能指針

在上一講《01 C++如何進行記憶體資源管理》中，提到了對於堆上的記憶體資源，需要我們手動分配和釋放。管理這些資源是個技術活，一不小心，就會導致記憶體泄漏。

我們再給兩段代碼，切身體驗下原生指針管理記憶體的噩夢。

void foo(int n) {
    int* ptr = new int(42);
    ...
    if (n > 5) {
	    return;
    }
    ...
    delete ptr;
}


void other_fn(int* ptr) {
	...
};
void bar() {
    int* ptr = new int(42);
    other_fn(ptr);
    // ptr == ?
}

在foo函數中，如果入參n > 5, 則會導致指針ptr的記憶體未被正確釋放，從而導致記憶體泄漏。

在bar函數中，我們將指針ptr傳遞給了另外一個函數other_fn，我們無法確定other_fn有沒有釋放ptr記憶體，如果被釋放了，那ptr將成為一個懸空指針，bar在後續還繼續訪問它，會引發未定義行為，可能導致程式崩潰。

上面由於原生指針使用不當導致的記憶體泄漏、懸空指針問題都可以通過智能指針來輕鬆避免。

C++智能指針是一種用於管理動態分配記憶體的指針類。基於RAII設計理念，通過封裝原生指針實現的。可以在資源（原生指針對應的對象）生命周期結束時自動釋放記憶體。

C++標準庫中，提供了兩種最常見的智能指針類型，分別是std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。
接下來我們分別詳細展開介紹。

吃獨食的unique_ptr

std::unique_ptr 是 C++11 引入的智能指針，用於管理動態分配的記憶體。每個 std::unique_ptr 實例都擁有對其所包含對象的唯一所有權，併在其生命周期結束時自動釋放對象。

創建unique_ptr對象

我們可以std::unique_ptr的構造函數或std::make_unique函數（C++14支持）來創建一個unique_ptr對象，在超出作用域時，會自動釋放所管理的對象記憶體。示例代碼如下：

#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};
int main() {
	std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass);
	// C++14開始支持std::make_unique
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::make_unique<int>(10);
    return 0;
}

代碼輸出：

MyClass constructed
MyClass destroyed

訪問所管理的對象

我們可以像使用原生指針的方式一樣，訪問unique_ptr所指向的對象。也可以通過get函數獲取到原生指針。

MyClass* naked_ptr = ptr1.get();
std::cout << *ptr2 << std::endl; // 輸出 10

釋放/重置所管理的對象

使用reset函數可以釋放unique_ptr所管理的對象，並將其指針重置為nullptr或指定的新指針。reset`大概實現原理如下

template<class T> 
void unique_ptr<T>::reset(pointer ptr = pointer()) noexcept { 
	// 釋放指針指向的對象
	delete ptr_; 
	// 重置指針
	ptr_ = ptr;
}

該函數主要完成兩件事：

  1. 釋放 std::unique_ptr 所管理的對象，以避免記憶體泄漏。
  2. 將 std::unique_ptr 重置為nullptr或管理另一個對象。

code show time:

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 創建一個 std::unique_ptr 對象，指向一個 MyClass 對象
    std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass);

    // 調用 reset，將 std::unique_ptr 重置為管理另一個 MyClass 對象
    ptr.reset(new MyClass);
    return;
}

移動所有權

一個對象資源只能同時被一個unique_ptr管理。當嘗試把一個unique_ptr直接賦值給另外一個unique_ptr會編譯報錯。

#include <memory>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 編譯報錯
    return 0;
}

為了把一個 std::unique_ptr 對象的所有權移動到另一個對象中，我們必須配合std::move移動函數。

#include <memory>
#include <iostream>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // ok
    std::cout << *p2 << std::endl; // 42
    std::cout << (p1.get() == nullptr) << std::endl; // true
    return 0;
}

這個例子中， 我們把p1通過std::move將其管理對象的所有權轉移給了p2, 此時p2接管了對象，而p1不再擁有管理對象的所有權，即無法再操作到該對象了。

樂於分享的shared_ptr

shared_ptr是C++11提供的另外一種常見的智能指針，與unique_ptr獨占對象方式不同，shared_ptr是一種共用式智能指針，允許多個shared_ptr指針共同擁有同一個對象，採用引用計數的方式來管理對象的生命周期。當所有的 shared_ptr 對象都銷毀時，才會自動釋放所管理的對象。

創建shared_ptr對象

同樣的，C++也提供了std::shared_ptr構造函數和std::make_shared函數來創建std::shared_ptr對象。

#include <memory>
int main() {
	std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
	std::shared_ptr<int> p2 = std::make_shared<int>(20);
	return;
}

多個shared_ptr共用一個對象

可以通過賦值操作實現多個shared_ptr共用一個資源對象，例如

std::shared_ptr<int>p3 = p2;

shared_ptr採用引用計數的方式管理資源對象的生命周期，通過分配一個額外記憶體當計數器。

當一個新的shared_ptr被創建時，它對應的計數器被初始化為1。每當賦值給另外一個shared_ptr共用同一個對象時，計數器值會加1。當某個shared_ptr被銷毀時，計數值會減1，當計數值變為0時，說明沒有任何shared_ptr引用這個對象，會將對象進行回收。
image.png

C++提供了use_count函數來獲取std::shared_ptr所管理對象的引用計數，例如

std::cout << "p1 use count: " << p1.use_count() << std::endl;

釋放/重置所管理的對象

可以使用reset函數來釋放/重置shared_ptr所管理的對象。大概實現原理如下（不考慮併發場景）

void reset(T* ptr = nullptr) {
	if (ref_count != nullptr) { 
		(*ref_count)--;
		if (*ref_count == 0) { 
			delete data; 
			delete ref_count; 
		} 
	} 
	data = ptr; 
	ref_count = (data == nullptr) ? nullptr : new size_t(1); 
}

data指針來存儲管理的資源，指針ref_count 來存儲計數器的值。

在 reset 方法中，需要減少計數器的值，如果計數器減少後為 0，則需要釋放管理的資源，如果減少後不為0，則不會釋放之前的資源對象。

如果reset指定了新的資源指針，則需要重新設置 data 和 ref_count，並將計數器初始化為 1。否則，將計數器指針置為nullptr

shared_ptr使用註意事項

避免迴圈引用

由於 shared_ptr 具有共用同一個資源對象的能力，因此容易出現迴圈引用的情況。例如：

struct Node { 
	std::shared_ptr<Node> next; 
};

int main() {
	std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
	node1->next = node2; 
	node2->next = node1;
}

在上述代碼中，node1 和 node2 互相引用，在析構時會發現計數器的值不為0，不會釋放所管理的對象，產生記憶體泄漏。

為了避免迴圈引用，可以將其中一個指針改為 weak_ptr 類型。weak_ptr也是一種智能指針，通常配合shared_ptr一起使用。

weak_ptr是一種弱引用，不對所指向的對象進行計數引用，也就是說，不增加所指對象的引用計數。當所有的shared_ptr都析構了，不再指向該資源時，該資源會被銷毀，同時對應的所有weak_ptr都會變成nullptr，這時我們就可以利用expired()方法來判斷這個weak_ptr是否已經失效。

我們可以通過weak_ptr的lock()方法來獲得一個指向共用對象的shared_ptr。如果weak_ptr已經失效，lock()方法將返回一個空的shared_ptr。

下麵是weak_ptr的基本使用示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
    // 創建shared_ptr對應的weak_ptr指針
    std::weak_ptr<int> wp(sp);

	// 通過lock創建一個對應的shared_ptr
    if (auto p = wp.lock()) {
        std::cout << "shared_ptr value: " << *p << std::endl;
        std::cout << "shared_ptr use_count: " << p.use_count() << std::endl;
    } else {
        std::cout << "wp is expired" << std::endl;
    }

	// 釋放shared_ptr指向的資源，此時weak_ptr失效
    sp.reset();
    std::cout << "wp is expired: " <<  wp.expired() << std::endl;
    return 0;
}

代碼輸出如下

shared_ptr value: 42
shared_ptr use_count: 2
wp is expired: 1

回到shared_ptr的迴圈引用問題，利用weak_ptr不會增加shared_ptr的引用計數的特點，我們將Node.next的類型改為weak_ptr, 避免node1和node2互相迴圈引用。修改後代碼如下

```cpp
struct Node { 
	std::weak_ptr<Node> next; 
};

int main() {
	std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
	node1->next = std::weak_ptr<Node>(node2); 
	node2->next = std::weak_ptr<Node>(node1); ;
}

避免裸指針與shared_ptr混用

先看看以下代碼

int* q = new int(9);
{
	std::shared_ptr<int> p(new int(10));
	...
	q = p.get();
}
std::cout << *q << std::endl;

get函數返回 std::shared_ptr 所持有的指針，但是不會增加引用計數。所以在shared_ptr析構時，將該指針指向的對象給釋放掉了，導致指針q變成一個懸空指針。

避免一個原始指針初始化多個shared_ptr

int* p = new int(10);
std::shared_ptr<int> ptr1(p);
// error: 兩個shared_ptr指向同一個資源，會導致重覆釋放
std::shared_ptr<int> ptr2(p);

總結

避免手動管理記憶體帶來的繁瑣和容易出錯的問題。我們今天介紹了三種智能指針：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。
每種智能指針都有各自的使用場景。unique_ptr用於管理獨占式所有權的對象，它不能拷貝但可以移動，是最輕量級和最快的智能指針。shared_ptr用於管理多個對象共用所有權的情況，它可以拷貝和移動。weak_ptr則是用來解決shared_ptr迴圈引用的問題。

下一節，我們將自己動手，從零實現一個C++智能指針。敬請期待


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