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C++智能指針讀書筆記

來源:本站原創(chuàng)|時(shí)間:2020-01-10|欄目:C語言|點(diǎn)擊: 次

最近在補(bǔ)看《C++ Primer Plus》第六版,這的確是本好書,其中關(guān)于智能指針的章節(jié)解析的非常清晰,一解我以前的多處困惑。C++面試過程中,很多面試官都喜歡問智能指針相關(guān)的問題,比如你知道哪些智能指針?shared_ptr的設(shè)計(jì)原理是什么?如果讓你自己設(shè)計(jì)一個(gè)智能指針,你如何完成?等等……。而且在看開源的C++項(xiàng)目時(shí),也能隨處看到智能指針的影子。這說明智能指針不僅是面試官愛問的題材,更是非常有實(shí)用價(jià)值。

C++通過一對(duì)運(yùn)算符 new 和 delete 進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理,new在動(dòng)態(tài)內(nèi)存中為對(duì)象分配空間并返回一個(gè)指向該對(duì)象的指針,delete接受一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)象的指針,銷毀對(duì)象并釋放與之相關(guān)的內(nèi)存。然而這樣的動(dòng)態(tài)內(nèi)存的使用很危險(xiǎn),因?yàn)闊o法確保始終能在合適的時(shí)間釋放內(nèi)存對(duì)象。如果忘記釋放內(nèi)存,可能造成內(nèi)存泄露;如果在尚有指針引用內(nèi)存的情況下釋放內(nèi)存,會(huì)產(chǎn)生非法訪問內(nèi)存的指針。

C++11中,新的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了兩種智能指針(smart pointer)類型來更安全地管理對(duì)象。智能指針的使用和常規(guī)指針類似,只是它們多了自動(dòng)釋放所指向的對(duì)象的功能。兩種指針的區(qū)別在于管理底層指針的方式:shared_ptr允許多個(gè)指針指向同一個(gè)對(duì)象,unique_ptr不支持。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)還提供了weak_ptr這一弱指針,指向shared_ptr所管理的對(duì)象。三種類型都定義在頭文件memory中。

shared_ptr的使用和vector很相似,在尖括號(hào)內(nèi)說明所指向?qū)ο蟮念愋停?/p>

復(fù)制代碼 代碼如下:
shared_ptr<string> p1              // p1是shared_ptr,指向string類型
shared_ptr<list<int>> p2     // p2是shared_ptr,指向list的int

解引用一個(gè)智能指針就能獲得它所指向的對(duì)象,在if語句中使用智能指針可以判斷它指向的對(duì)象是否為空:

復(fù)制代碼 代碼如下:
// 如果p1非空,檢查p1是否指向一個(gè)空的string對(duì)象
if (p1 && p1->empty())
    *p1 = "creat";        // 如果p1非空且指向一個(gè)空的string對(duì)象,解引用p1,為其賦新值creat

最安全的分配和使用shared_ptr的方法是調(diào)用名為make_shared這一標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)。此函數(shù)在動(dòng)態(tài)內(nèi)存中分配并初始化它,返回指向此對(duì)象的shared_ptr。該函數(shù)定義在memory中。

make_shared的定義和shared_ptr相似,必須制定要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象的類型,如:

// 指向一個(gè)值為1的int的shared_ptr
shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>)(1);
// 指向一個(gè)值為“www”的string的shared_ptr
shared_ptr<string> p4 = make_shared<string>(3, "w");
// 指向一個(gè)初始化的int,值為0
shared_ptr<int> p5 = make_shared<int>)();

也可以使用auto定義對(duì)象保存make_shared,可以省去書寫shared_ptr的麻煩。

  shared——ptr中有一個(gè)關(guān)聯(lián)的指示器,稱為引用計(jì)數(shù)??梢钥醋鲆粋€(gè)計(jì)數(shù)器,每當(dāng)shared_ptr對(duì)象進(jìn)行拷貝操作,如用一個(gè)shared_ptr對(duì)象初始化另一個(gè)shared_ptr對(duì)象、作為函數(shù)的實(shí)參、作為函數(shù)返回值時(shí),引用計(jì)數(shù)都會(huì)遞增(視為數(shù)值+1)。當(dāng)賦予shared_ptr新值或者shared_ptr被銷毀時(shí),引用計(jì)數(shù)遞減。當(dāng)引用計(jì)數(shù)減為0,通過析構(gòu)函數(shù),shared_ptr自動(dòng)銷毀所管理的對(duì)象,釋放內(nèi)存。

  需要注意的是,如果多個(gè)對(duì)象共享底層數(shù)據(jù),當(dāng)某一對(duì)象被銷毀,不能單方面銷毀底層數(shù)據(jù),例如:

Blob<string> b1;
{ // 新作用域
  Blob<string> b2 = { "x", "b", "b" };
  b1 = b2;
}  // 當(dāng)離開局部作用域,b2被銷毀,然而b2中的元素xbb并不會(huì)被銷毀
   // b1指向最初由b2創(chuàng)建的元素,即“x”, "b", "b",b1依舊可以它們

  weak_ptr是指向shared_ptr管理的對(duì)象的一種智能指針,然而它不控制所指向?qū)ο蟮纳嫫凇⒁粋€(gè)weak_ptr綁定在shared_ptr上,不會(huì)改變shared_ptr的引用計(jì)數(shù),一旦最后一個(gè)shared_ptr的指向?qū)ο蟊淮蒌N毀,對(duì)象就會(huì)被釋放,有無weak_ptr并無卵影響。我的理解是,weak_ptr提供了指向shared_ptr底層數(shù)據(jù)的功能,控制了shared_ptr對(duì)底層數(shù)據(jù)的訪問。

  因?yàn)閣eak_ptr指向的對(duì)象可能不存在(shared_ptr指向的最后一個(gè)對(duì)象被銷毀時(shí)),因而用它不能直接訪問對(duì)象,必須調(diào)用lock函數(shù)檢查其指向的對(duì)象是否存在。很容易寫出一個(gè)選擇語句進(jìn)行控制:

auto bb = make_shared<string>(2, 'b');
weak_ptr<string> xbb(bb);
if (shared_pr<int> np = xbb.lock()) { // np不為空條件成立
  // 在if語句內(nèi),np和xbb共享對(duì)象  
}

補(bǔ)充weak_ptr相關(guān)的函數(shù),便于理解:

w.reset 將w置為空
w.use_count() 與w共享對(duì)象的個(gè)數(shù)
w.expired() 若w.use_count()為0,返回true,否則返回false
w.lock() 若w.expired()為true,返回一個(gè)空shared_ptr,否則返回一個(gè)指向w的對(duì)象的shared_ptr

加入《C++ Primer 5th》中的12.19題參照,題中和“智能指針和異常”并未在本篇隨筆中介紹

#include <iostream>    
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>
#include <initializer_list>
using namespace std;
using std::string;
using std::vector;
class StrBlobPtr;
class StrBlob {
public:
  friend class StrBlobPtr;      // 友元
  StrBlobPtr begin();         // 聲明StrBlob類中的begin()和end()
  StrBlobPtr end();          // 返回一個(gè)指向它自身的StrBlobPtr
public:
  typedef vector<string>::size_type size_type;  // 類型別名,size_type = vector<string>::size_type

  StrBlob::StrBlob(initializer_list<string> il) : data(make_shared<vector<string>>(il)) {};  // 接受一個(gè)initializer_list參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)將其參數(shù)傳                                                            遞給對(duì)應(yīng)的vector構(gòu)造函數(shù),通過拷貝列表
  StrBlob::StrBlob() : data(make_shared<vector<string>>()) {};                 // 構(gòu)造函數(shù),初始化data成員,指向動(dòng)態(tài)分配的vector                                                            中的值初始化vector元素
  void push_back(const string &t) { data->push_back(t); }
  string& StrBlob::front() {
    check(0, "front on empty StrBlob");
    return data->front();
  }
  string& StrBlob::back() {
    check(0, "back on empty StrBlob");
    return data->back();
  }
  void StrBlob::pop_back() {             // 刪除尾元素
    check(0, "pop_back empty StrBlob");
    return data->pop_back();
  }
  string& front() const { return data->front(); };
  string& back() const { return data->back(); };
private:
  shared_ptr<vector<string>> data;
  void StrBlob::check(size_type i, const string &msg) const {  // 檢查元素是否存在
    if (i >= data->size())                  // 若不存在
      throw out_of_range(msg);               // 拋出異常
  }
};
class StrBlobPtr {
public:
  StrBlobPtr() : curr(0) {};
  StrBlobPtr(StrBlob &a, size_t sz = 0) : wptr(a.data), curr(sz) {};
  string & deref() const {
    auto p = check(curr, "dereference past end");
    return (*p)[curr];  // check成功,返回一個(gè)p指針,指向make_shared指向的vector
  }            // 解引用,make_shared獲取vector,用下表運(yùn)算符返回curr位置上的對(duì)象
  StrBlobPtr& incr() {
    check(curr, "increment past end of StrBlobPtr");
    ++curr;
    return *this;
  }
  bool operator!=(const StrBlobPtr& p) { return p.curr != curr; }

private:
  weak_ptr<vector<string>> wptr;
  size_t curr;
  shared_ptr<vector<string>> check(size_t i, const string& msg) const
  {
    auto rent = wptr.lock();
    if (!rent)
      throw runtime_error("unbound StrBlobPtr");
    if (i >= rent->size())
      throw out_of_range(msg);
    return rent;
  }
};
StrBlobPtr StrBlob::begin()
{
  return StrBlobPtr(*this);
}
StrBlobPtr StrBlob::end()
{
  return StrBlobPtr(*this, data->size());
}

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本文標(biāo)題:C++智能指針讀書筆記

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