QT 智能指針 QPointer QScopedPointer QSharedPointer QWeakPointer QSharedDataPointer 隱式共用 顯示共用

来源:https://www.cnblogs.com/ITnoteforlsy/p/18089527
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QPointer

QPointer 是一種受保護的指針，當其引用的對象被銷毀時，它會被自動清除（但是，銷毀引用對象還是必須手動delete）。QPointer所指向的對象必須是QObject或其派生類對象。

當多個指針指向同一個 Object 對象時，引用的對象可能被釋放掉，這時使用 QPointer 就可以安全的測試引用對象是否有效，防止發生指針空懸。

註意：Qt5 之前，QPointer 指向一個 QWidget 對象（或子類對象）時，QPointer 由 QWidget 的析構函數清除，Qt5 之後 由 QObject 的析構函數清除。在析構函數銷毀被跟蹤 QWidget 的子項之前，任何跟蹤 QWidget 的 QPointers 都不會被清除。

QPointer 提供的函數和運算符與普通指針的函數和運算符相同，但算術運算符+、-、 ++ 和 --除外（它們通常僅用於對象數組）。

創建 QPointer 指針，可以使用構造函數、用 T * 賦值或相同類型的其他 QPointer 。QPointer 比較可以使用 == 和 ！=，或使用 isNull() 進行測試。可以使用 nullptr 或 *xx->member 取消引用。

QPointer 和普通指針可以混用，QPointer會自動轉換為指針*。可以把 QPointer 對象傳遞給需要 QWidget * 參數的函數。因此，聲明函數時沒有必要用 QPointer 作為參數，只需使用普通指針即可。

#include <QCoreApplication>
#include <QTimer>
#include <QDebug>
int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
    QTimer *timer = new QTimer;
    // QPointer<QTimer> timer = new QTimer;
    delete timer;
    // 不使用QPointer時需要設置timer為NULL
    // timer=NULL;
    if(timer)
    {
        qInfo()<<"timer is not null";
    }
    else
    {
        qInfo()<<"timer is null";
    }
    return a.exec();
}

不使用QPointer時，輸出“Label is not null”，原因是，delete後未置空，易造成指針懸空。使用 QPointer 時，輸出"timer is null"。
在QPointer中 .是指針的屬性，-> 是對象的屬性。

QScopedPointer

QScopedPointer 類似於 C++ 11 中的 unique_ptr 用於管理動態分配的對象的獨占所有權，即同一時間只能有一個QScopedPointer指向該對象。

QScopedPointer使用了RAII（資源獲取即初始化）技術，當QScopedPointer被銷毀時，它將自動釋放所管理的對象的記憶體。QScopedPointer不支持拷貝和賦值操作，這是為了避免在多個指針之間共用所有權的問題。如果需要在多個指針之間轉移所有權，應該使用QSharedPointer或QWeakPointer。

手動管理堆中分配的對象非常困難而且容易出錯，容易導致記憶體泄露。QScopedPointer是一個簡化記憶體管理的工具類，它通過將堆分配的空間賦值給基於棧的記憶體，通常稱為RAII（resource acquisition is initialization）。
QScopedPointer保證指向的對象在當前範圍消失時自動刪除。
下麵的函數分配了堆記憶體，使用後手動刪除。

void myFunction(bool useSubClass)
 {
     MyClass *p = useSubClass ? new MyClass() : new MySubClass;
     QIODevice *device = handsOverOwnership();

     if (m_value > 3) {
         delete p;
         delete device;
         return;
     }

     try {
         process(device);
     }
     catch (...) {
         delete p;
         delete device;
         throw;
     }

     delete p;
     delete device;
 }

使用QScopedPointer可以簡化上面的代碼：

void myFunction(bool useSubClass)
 {
     // assuming that MyClass has a virtual destructor
     QScopedPointer<MyClass> p(useSubClass ? new MyClass() : new MySubClass);
     QScopedPointer<QIODevice> device(handsOverOwnership());

     if (m_value > 3)
         return;

     process(device);
 }

編譯器為QScopedPointer生成的代碼與手動編寫的代碼相同。delete代碼是QScopedPointer的選項之一。QScopedPointer沒有賦值構造函數或賦值操作，以便清楚的表達所有權和生命周期。
C++ 中const修飾的指針也可以使用QScopedPointer來表示。

    const QWidget *const p = new QWidget();
    // 等價於
    const QScopedPointer<const QWidget> p(new QWidget());

    QWidget *const p = new QWidget();
    // 等價於
    const QScopedPointer<QWidget> p(new QWidget());

    const QWidget *p = new QWidget();
    // 等價於
    QScopedPointer<const QWidget> p(new QWidget());

自定義清理處理器：
使用malloc分配的數組指針不能使用delete刪除，QScopedPointer的第二個模板參數可以用於自定義清理處理器。QT提供了以下自定義清理處理器：

  • QScopedPointerDeleter 預設處理器，使用delete刪除指針。
  • QScopedPointerArrayDeleter 使用delete []刪除。用於處理使用new [] 創建的指針。
  • QScopedPointerPodDeleter 使用free()刪除指針。用於處理使用malloc()創建的指針。
  • QScopedPointerDeleteLater 使用deleteLater()刪除指針。用於處理QEventLoop中使用的QObject指針。
    自定義清理處理器中必須提供一個public的靜態函數：public static function void cleanup(T *pointer)
 // QScopedPointer 使用 delete[] 刪除數據
 QScopedPointer<int, QScopedPointerArrayDeleter<int> > arrayPointer(new int[42]);

 // QScopedPointer 使用 free()釋放記憶體
 QScopedPointer<int, QScopedPointerPodDeleter> podPointer(reinterpret_cast<int *>(malloc(42)));

 // 該 struct 調用 "myCustomDeallocator" 刪除指針
 struct ScopedPointerCustomDeleter
 {
    static inline void cleanup(MyCustomClass *pointer)
    {
        myCustomDeallocator(pointer);
    }
 };

 // QScopedPointer 使用自定義清理處理器:
 QScopedPointer<MyCustomClass, ScopedPointerCustomDeleter> customPointer(new MyCustomClass);

QScopedPointer可以使用前置聲明的類，但是要保證QScopedPointer需要清理的時候前置聲明的類的析構函數可用。否則，編譯器將輸出析構函數不可用的警告。

 class MyPrivateClass; // 前置聲明 MyPrivateClass

class MyClass
{
private:
    QScopedPointer<MyPrivateClass> privatePtr; // QScopedPointer 使用前置聲明類

public:
    MyClass(); // OK
    inline ~MyClass() {} // VIOLATION - 析構函數不能使用inline修飾

private:
    Q_DISABLE_COPY(MyClass) // OK - 設置拷貝構造函數和賦值操作不可用，編譯器不會自動生成構造函數和賦值操作
};

成員函數

QScopedPointer::QScopedPointer(T *p = nullptr)

構造 QScopedPointer 實例，並指向p

QScopedPointer::~QScopedPointer()

銷毀QScopedPointer對象。刪除它指向的對象

T *QScopedPointer::data() const

返回QScopedPointer指向對象的值。QScopedPointer仍然指向該對象

T *QScopedPointer::get() const

與 data()功能相同

bool QScopedPointer::isNull() const

QScopedPointer指向的對象為nullptr時返回true

void QScopedPointer::reset(T *other = nullptr)

刪除已指向的對象並指向新對象other

QScopedArrayPointer

QScopedArrayPointer 與 QScopedPointer 類似，但是刪除指針時使用的時 delete[] 操作。QScopedArrayPointer 存儲的指針指向動態分配的數組對象。如果我們指向的記憶體數據是一個數組，這時可以用 QScopedArrayPointer。例如：

 void foo()
 {
     QScopedArrayPointer<int> i(new int[10]);
     i[2] = 42;
     ...
     return; // 此時我們定義的 integer 數組會使用 delete[] 自動刪除
 }

QSharedPointer

QSharedPointer 相當於C++11 標準中的 shared_ptr， 用於管理動態分配的對象的共用所有權，即多個 QSharedPointer 對象可以指向同一個對象，並共用該對象的記憶體管理。它使用引用計數來追蹤對象的使用情況，當最後一個 QSharedPointer 對象被銷毀時，它將自動刪除它所持有的指針。由於使用了引用計數，QSharedPointer 能夠自動處理指針的生命周期，避免記憶體泄漏和空懸指針等問題，因此是Qt中最常用的智能指針。

需要註意的是，QSharedPointer只能管理動態分配的對象的記憶體。如果我們將其用於指向棧對象或全局對象，那麼它就不會自動釋放對象的記憶體，這可能會導致程式崩潰或記憶體泄漏。

創建 QSharedPointer 對象可以用普通指針、另一個 QSharedPointer 對象，也可以通過將 QWeakPointer 對象提升為強引用來創建。

線程安全

QSharedPointer 和 QWeekPointer 是可重入類，如果不進行同步，多個線程無法同時訪問指定的 QSharedPointer 對象或 QWeakPointer 對象。

多個 QSharedPointer 和 QWeekPointer 指向同一個對象的情況下，多個線程可以安全的訪問這些 QSharedPointer 和 QWeekPointer對象。QSharedPointer 採用的引用計數機制是原子操作，不需要手動同步。但是要註意，QSharedPointer 和 QWeekPointer 所指向的對象不一定是線程安全的，需要採用線程安全和重入規則來保證 QSharedPointer 和 QWeekPointer 所指向對象的安全。

其他指針類

Qt還提供了另外兩個指針包裝類： QPointer 和 QSharedDataPointer。它們彼此不相容，因為每個都有其非常不同的用例。

QSharedPointer 通過外部引用計數（即放置在對象外部的引用計數器）持有共用指針，指針值在 QSharedPointer 和 QWeekPointer 的所有實例之間共用。但是，指針指向的對象不應被視為共用的：都是同一個對象。QSharedPointer 不提供detach（隱式共用）或拷貝所引用對象的方法。

QSharedDataPointer 通過基類 QSharedData 內的引用計數持有共用數據的指針（共用數據派生自 QSharedData 類）。QSharedDataPointer 可以根據訪問類型對受保護數據執行detach（隱式共用）：如果不是讀訪問，則以原子方式創建一個副本以完成操作。

QExplicitlySharedDataPointer 是 QSharedDataPointer 的一個變數，QSharedDataPointer只有在 QExplicitlySharedDataPointer::detach() 時才會執行detach。

QScopedPointer 專為堆內分配、刪除對象設計，它持有指向堆分配對象的指針，併在其析構函數中刪除對象。 QScopedPointer 是輕量級的，它不使用額外的結構或引用計數。

QPointer 用於持有 QObject 派生對象的指針，但是一種弱引用。QWeakPointer 具有相同的功能，但不推薦使用該功能。

可選指針跟蹤
編譯調試時可以開啟 QSharedPointer 的指針跟蹤功能。啟用後，QSharedPointer 會在全局集合中註冊它跟蹤的所有指針。這樣就可以捕獲錯誤（例如：將同一指針分配給兩個 QSharedPointer 對象）。

開啟指針跟蹤功能需要在 include QSharedPointer 前定義巨集QT_SHAREDPOINTER_TRACK_POINTERS。

即使沒有啟用指針跟蹤功能進行代碼編譯，使用 QSharedPointer 跟蹤指針也是安全的。如果編譯的代碼沒有開啟指針跟蹤功能，QSharedPointer 會從跟蹤器中刪除指針。

註意，指針跟蹤功能對多重繼承或虛擬繼承有限制（此時兩個不同的指針可以引用同一對象）。在這種情況下，如果指針被強制轉換為不同的類型並且其值發生更改，則 QSharedPointer 的指針跟蹤機制可能無法檢測到被跟蹤的對象是否為同一對象。

QWeakPointer

QWeakPointer 是對指針的弱引用，相當於C++11 標準中的 weak_ptr。QWeakPointer 不影響指針引用計數，可以用於驗證指針是否在已另一個上下文中被刪除。QWeakPointer對象的創建只能通過QSharedPointer賦值。QWeakPointer 用於追蹤指針，但並不代表指針本身，它不保證指針對象的有效性，也不提供轉換操作。如果要訪問 QWeakPointer 追蹤的指針，需要向將其提升為 QSharedPointer 並驗證該對象是否為 null，若對象不為 null，則可以使用該指針。QWeakPointer::toStrongRef()用於將 QWeakPointer 轉換為 QSharedPointer。
QWeakPointer 指向 QSharedPointer 所管理的對象，但不會增加對象的引用計數，也不會影響對象的生命周期。當對象被釋放時，QWeakPointer會自動被置為空指針，避免了空懸指針的問題。

#include <QSharedPointer>
#include <QWeakPointer>
#include <QDebug>

class MyClass
{
public:
    MyClass(int value) : m_value(value) {
        qDebug() << "MyClass constructor called with value" << m_value;
    }
    ~MyClass() {
        qDebug() << "MyClass destructor called with value" << m_value;
    }
    int getValue() const {
        return m_value;
    }

private:
    int m_value;
};

int main()
{
    QSharedPointer<MyClass> shared(new MyClass(20));
    QWeakPointer<MyClass> weak(shared);

    qDebug() << "Shared pointer value:" << shared->getValue();
    qDebug() << "Weak pointer value:" << weak.data()->getValue();

    shared.clear();
    // 此時，MyClass對象的引用計數為0，將被自動刪除，而此時 QWeakPointer 對象 weak 也為null。

    if (weak.isNull()) {
        qDebug() << "Weak pointer is null - object has been deleted"; //執行
    } else {
        qDebug() << "Weak pointer is not null - object still exists";
    }

    return 0;
}

QSharedDataPointer

QSharedDataPointer 用於簡化隱式共用類的實現。QSharedDataPointer 實現了線程安全的引用計數，保證了向可重入類添加 QSharedDataPointers 時不破壞的的可重入性。Qt 中很多類都採用了隱式共用來提升指針的訪問速度和記憶體使用效率。Qt 的容器類都使用了隱式共用，如 QList 、QVarLengthArray 、QStack 、QQueue、 QSet、 QMap、 QMultiMap、 QHash、 QMultiHash 。
例如，實現 Employee 類的隱式共用，需要以下步驟：

  1. 定義 Employee 類，並聲明一個 QSharedDataPointer 成員變數；
  2. 定義一個 EmployeeData 並繼承 QSharedData，將 Employee 需要的成員變數在 EmployeeData 中進行聲明。
#include <QSharedData>
#include <QString>

// EmployeeData 繼承自 QSharedData，QSharedData為其提供了一個引用計數器
// EmployeeData 要實現共用必須提供預設的構造函數、拷貝構造函數和析構函數
// 如果要對 Employee 類的使用者隱藏數據，應該把 EmployeeData 類聲明到獨立的 .h 文件中
class EmployeeData : public QSharedData
{
  public:
    EmployeeData() : id(-1) { }
    // 拷貝構造函數
    EmployeeData(const EmployeeData &other)
        : QSharedData(other), id(other.id), name(other.name) { }
    ~EmployeeData() { }

    // 共用數據
    int id;
    QString name;
};

class Employee
{
  public:
    Employee() { d = new EmployeeData; }
    // 該構造函數調用了 setId(id) 和 setName(name)， 2次修改共用數據，但是並不會觸發 copy on write
    Employee(int id, const QString &name) {
        d = new EmployeeData;
        setId(id); // 此時 EmployeeData 的引用計數為 1
        setName(name); // 引用計數為 1 ，不會 copy 共用數據
    }
    // 這個拷貝構造函數可以不用定義，編譯器會自動生成拷貝構造函數
    // 拷貝構造函數會對成員變數 d 進行賦值，賦值操作 =() 會增加共用數據的引用計數
    Employee(const Employee &other)
          : d (other.d)
    {
    }
    // 修改數據時，操作符 ->() 會自動調用 detach() ，如果共用數據的引用計數大於1，會自動copy一份數據用於修改。
    // 保證一個 Employee 對象對共用數據的修改不會影響其它Employee對象引用的共用數據
    void setId(int id) { d->id = id; }
    void setName(const QString &name) { d->name = name; }

    // 不修改 EmployeeData ，操作符 -> 不會觸發detach()
    int id() const { return d->id; }
    QString name() const { return d->name; }

  private:
    // Employee 只用一個成員變數，其它數據在 EmployeeData 中定義
    QSharedDataPointer<EmployeeData> d;
};

在上面的場景中，Employee 對象拷貝、賦值或作為參數傳遞時，QSharedDataPointer 自動增加引用計數。Employee 對象刪除或不在當前範圍時， QSharedDataPointer 自動減少引用計數。當引用計數為 0 時，EmployeeData 對象自動被刪除。當 Employee 的成員函數對成員變數 d 進行修改時，QSharedDataPointer 自動調用 detach() 操作，併為 Employee 對象拷貝出一份數據，保證 Employee 對象對數據的修改不會影響其它對象。如果 Employee 有多個成員函數都會修改成員變數 d，detach() 會被調用多次，但是只有首次調用 detach() 時才會拷貝共用數據，因為第一次調用 detach() 後成員變數 d 指向新拷貝的數據，它的引用計數為 1。

隱式共用需要註意的問題：
看下麵的代碼，如果 e1 和 e2 都代表 id 為 1001 的數據，那麼將出現 1001 有 2 個不同 name 的問題，這在數據一致性上可能會有問題。這種問題需要使用顯示共用來解決，即在 Employee 類中聲明為顯示共用 QExplicitlySharedDataPointer d; 顯示共用不會自動執行 copy on write 操作。

#include "employee.h"

int main()
{
    Employee e1(1001, "Albrecht Durer");
    // e1 和 e2 指向同一個共用數據(1001, "Albrecht Durer")
    Employee e2 = e1;
    // setName 後成員變數 e1 將指向另一個數據(1001, "Hans Holbein")
    e1.setName("Hans Holbein");
}

可以考慮使用巨集Q_DECLARE_TYPEINFO()將隱式共用類聲明為 movable 類型，例如上面的 Employee 類。

隱式共用的 iterator 問題：當使用 iterator 遍歷容器時，不能進行容器拷貝。例如：

QList<int> a, b;
// 構造一個用 0 初始化的 list
a.resize(100000); 

QList<int>::iterator i = a.begin();
// 下麵是 iterator i 的錯誤使用方式

b = a;

// 與 STL 容器不同的是，如果此時執行 *i = 4 會發生隱式拷貝

a[0] = 5;
// 此時 a 已經從共用數據中分離出來，雖然 i 是 容器 a 的遍歷器，但實際上是 b 的遍歷器，此時 (*i) == 0

b.clear(); 
// 此時遍歷器 i 已經完全無效了

int j = *i; 
// 此時會出現 i 未定義的情況

// 如果使用的是 STL 的容器類 std::list<T> 不會發生上述情況，此時 (*i) == 5

QExplicitlySharedDataPointer

QExplicitlySharedDataPointer 用於簡化顯式共用類的實現。QExplicitlySharedDataPointer 實現了線程安全的引用計數，保證了向可重入類添加 QSharedDataPointers 時不破壞的的可重入性。
QExplicitlySharedDataPointer 與 QSharedDataPointer 類似，惟一不同的是 QExplicitlySharedDataPointer 的成員函數在出現寫操作時不會自動 copy 共用數據。QExplicitlySharedDataPointer 的 detach() 方法只能手動調用。QExplicitlySharedDataPointers 自動進行引用計數併在引用計數變為 0 時刪除共用數據。

參考文章：
Qt 智能指針介紹： QSharedPointer、QWeakPointer 、QScopedPointer 、QPointer（附實例）
Qt 中的智能指針
【圖解】Qt中的智能指針
Qt 智能指針學習（7種QT的特有指針）


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