【游戏开发】C++11中智能指针的使用方法！

2021-09-27

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1.智能指针的作用

C 程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C 11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。

使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。

理解智能指针需要从下面三个层次：

1.从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。

2.智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。

3.智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。C 和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：

Animal a = new Animal();

Animal b = a;

你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C 中不是这样，

Animal a;

Animal b = a;

这里却是就是生成了两个对象。

2.智能指针的使用

智能指针在C 11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr

2.1 shared_ptr的使用

shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。

初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的写法是错误的

拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。

get函数获取原始指针

注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存

注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。

#include < iostream > #include < memory >

int main() {
{
int a = 10;
std: :shared_ptr < int > ptra = std: :make_shared < int > (a);
std: :shared_ptr < int > ptra2(ptra); //copy
std: :cout << ptra.use_count() << std: :endl;

int b = 20;
int * pb = &a;
//std::shared_ptr<int> ptrb = pb; //error
std: :shared_ptr < int > ptrb = std: :make_shared < int > (b);
ptra2 = ptrb; //assign
pb = ptrb.get(); //获取原始指针
std: :cout << ptra.use_count() << std: :endl;
std: :cout << ptrb.use_count() << std: :endl;
}
}

unique_ptr的使用

unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。

unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。

unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。

#include < iostream > #include < memory >

int main() {
{
std: :unique_ptr < int > uptr(new int(10)); //绑定动态对象
//std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr; //不能賦值
//std::unique_ptr<int> uptr2(uptr); //不能拷貝
std: :unique_ptr < int > uptr2 = std: :move(uptr); //轉換所有權
uptr2.release(); //释放所有权
}
//超過uptr的作用域，內存釋放
}

shared_ptr的使用

hared_ptr实现共享式拥有概念。多个智能指针可以指向相同对象，该对象和其相关资源会在“最后一个引用被销毁”时候释放。

从名字share就可以看出了资源可以被多个指针共享，它使用计数机制来表明资源被几个指针共享。可以通过成员函数use_count()来查看资源的所有者个数。

除了可以通过new来构造，还可以通过传入auto_ptr, unique_ptr,weak_ptr来构造。当我们调用release()时，当前指针会释放资源所有权，计数减一。当计数等于0时，资源会被释放。

shared_ptr 是为了解决 auto_ptr 在对象所有权上的局限性(auto_ptr 是独占的), 在使用引用计数的机制上提供了可以共享所有权的智能指针。

成员函数：

use_count 返回引用计数的个数

unique 返回是否是独占所有权( use_count 为 1)

swap 交换两个 shared_ptr 对象(即交换所拥有的对象)

reset 放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少

get 返回内部对象(指针), 由于已经重载了()方法, 因此和直接使用对象是一样的，如：cpp

shared_ptr < int > sp(new int(1));

sp 与 sp.get()是等价的。

share_ptr的简单例子：cpp

int main() {
string * s1 = new string("s1");

shared_ptr < string > ps1(s1);
shared_ptr < string > ps2;
ps2 = ps1;

cout << ps1.use_count() << endl; //2
cout << ps2.use_count() << endl; //2
cout << ps1.unique() << endl; //0
string * s3 = new string("s3");
shared_ptr < string > ps3(s3);

cout << (ps1.get()) << endl; //033AEB48
cout << ps3.get() << endl; //033B2C50
swap(ps1, ps3); //交换所拥有的对象
cout << (ps1.get()) << endl; //033B2C50
cout << ps3.get() << endl; //033AEB48
cout << ps1.use_count() << endl; //1
cout << ps2.use_count() << endl; //2
ps2 = ps1;
cout << ps1.use_count() << endl; //2
cout << ps2.use_count() << endl; //2
ps1.reset(); //放弃ps1的拥有权，引用计数的减少
cout << ps1.use_count() << endl; //0
cout << ps2.use_count() << endl; //1
}

weak_ptr的使用

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。

weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。

weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象，从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。

#include < iostream > #include < memory >

int main() {
{
std: :shared_ptr < int > sh_ptr = std: :make_shared < int > (10);
std: :cout << sh_ptr.use_count() << std: :endl;

std: :weak_ptr < int > wp(sh_ptr);
std: :cout << wp.use_count() << std: :endl;

if (!wp.expired()) {
std: :shared_ptr < int > sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr
* sh_ptr = 100;
std: :cout << wp.use_count() << std: :endl;
}
}
//delete memory
}

share_ptr和weak_ptr的核心实现

weakptr的作为弱引用指针，其实现依赖于counter的计数器类和share_ptr的赋值，构造，所以先把counter和share_ptr简单实现。

Counter简单实现：

class Counter {
public: Counter() : s(0),
w(0) {};
int s; //share_ptr的引用计数
int w; //weak_ptr的引用计数
};

counter对象的目地就是用来申请一个块内存来存引用基数，s是share_ptr的引用计数，w是weak_ptr的引用计数，当w为0时，删除Counter对象。

share_ptr的简单实现：

template < class T > class WeakPtr; //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用
template < class T > class SharePtr {
public: SharePtr(T * p = 0) : _ptr(p) {
cnt = new Counter();
if (p) cnt - >s = 1;
cout << "in construct " << cnt - >s << endl;
}~SharePtr() {
release();
}

SharePtr(SharePtr < T > const & s) {
cout << "in copy con" << endl;
_ptr = s._ptr; (s.cnt) - >s ;
cout << "copy construct" << (s.cnt) - >s << endl;
cnt = s.cnt;
}
SharePtr(WeakPtr < T > const & w) //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用
{
cout << "in w copy con " << endl;
_ptr = w._ptr; (w.cnt) - >s ;
cout << "copy w construct" << (w.cnt) - >s << endl;
cnt = w.cnt;
}
SharePtr < T > &operator = (SharePtr < T > &s) {
if (this != &s) {
release(); (s.cnt) - >s ;
cout << "assign construct " << (s.cnt) - >s << endl;
cnt = s.cnt;
_ptr = s._ptr;
}
return * this;
}
T & operator * () {
return * _ptr;
}
T * operator - >() {
return _ptr;
}
friend class WeakPtr < T > ; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值
protected: void release() {
cnt - >s--;
cout << "release " << cnt - >s << endl;
if (cnt - >s < 1) {
delete _ptr;
if (cnt - >w < 1) {
delete cnt;
cnt = NULL;
}
}
}

private: T * _ptr;
Counter * cnt;
};

share_ptr的给出的函数接口为：构造，拷贝构造，赋值，解引用，通过release来在引用计数为0的时候删除_ptr和cnt的内存。

weak_ptr简单实现

template < class T > class WeakPtr {
public: //给出默认构造和拷贝构造，其中拷贝构造不能有从原始指针进行构造
WeakPtr() {
_ptr = 0;
cnt = 0;
}
WeakPtr(SharePtr < T > &s) : _ptr(s._ptr),
cnt(s.cnt) {
cout << "w con s" << endl;
cnt - >w ;
}
WeakPtr(WeakPtr < T > &w) : _ptr(w._ptr),
cnt(w.cnt) {
cnt - >w ;
}~WeakPtr() {
release();
}
WeakPtr < T > &operator = (WeakPtr < T > &w) {
if (this != &w) {
release();
cnt = w.cnt;
cnt - >w ;
_ptr = w._ptr;
}
return * this;
}
WeakPtr < T > &operator = (SharePtr < T > &s) {
cout << "w = s" << endl;
release();
cnt = s.cnt;
cnt - >w ;
_ptr = s._ptr;
return * this;
}
SharePtr < T > lock() {
return SharePtr < T > ( * this);
}
bool expired() {
if (cnt) {
if (cnt - >s > 0) {
cout << "empty" << cnt - >s << endl;
return false;
}
}
return true;
}
friend class SharePtr < T > ; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值
protected: void release() {
if (cnt) {
cnt - >w--;
cout << "weakptr release" << cnt - >w << endl;
if (cnt - >w < 1 && cnt - >s < 1) {
//delete cnt;
cnt = NULL;
}
}
}

private: T * _ptr;
Counter * cnt;
};

weak_ptr一般通过share_ptr来构造，通过expired函数检查原始指针是否为空，lock来转化为share_ptr。

智能指针的设计和实现：

下面是一个简单智能指针的demo。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。

每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。

智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。

1#include < iostream >

2#include < memory >

4 template < typename T >

5 class SmartPointer {
6 private: 7 T * _ptr;
8 size_t * _count;
9 public: 10 SmartPointer(T * ptr = nullptr) : 11 _ptr(ptr) {
12
if (_ptr) {
13 _count = new size_t(1);
14
} else {
15 _count = new size_t(0);
16
}
17
}
18 19 SmartPointer(const SmartPointer & ptr) {
20
if (this != &ptr) {
21 this - >_ptr = ptr._ptr;
22 this - >_count = ptr._count;
23( * this - >_count) ;
24
}
25
}
26 27 SmartPointer & operator = (const SmartPointer & ptr) {
28
if (this - >_ptr == ptr._ptr) {
29
return * this;
30
}
31 32
if (this - >_ptr) {
33( * this - >_count)--;
34
if (this - >_count == 0) {
35 delete this - >_ptr;
36 delete this - >_count;
37
}
38
}
39 40 this - >_ptr = ptr._ptr;
41 this - >_count = ptr._count;
42( * this - >_count) ;
43
return * this;
44
}
45 46 T & operator * () {
47 assert(this - >_ptr == nullptr);
48
return * (this - >_ptr);
49 50
}
51 52 T * operator - >() {
53 assert(this - >_ptr == nullptr);
54
return this - >_ptr;
55
}
56 57~SmartPointer() {
58( * this - >_count)--;
59
if ( * this - >_count == 0) {
60 delete this - >_ptr;
61 delete this - >_count;
62
}
63
}
64 65 size_t use_count() {
66
return * this - >_count;
67
}
68
};
69 70 int main() {
71 {
72 SmartPointer < int > sp(new int(10));
73 SmartPointer < int > sp2(sp);
74 SmartPointer < int > sp3(new int(20));
75 sp2 = sp3;
76 std: :cout << sp.use_count() << std: :endl;
77 std: :cout << sp3.use_count() << std: :endl;
78
}
79 //delete operator
80
}