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C++智能指针之shared_ptr如何使用

2023-06-30 16:59

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这篇文章主要介绍“C++智能指针之shared_ptr如何使用”的相关知识,小编通过实际案例向大家展示操作过程,操作方法简单快捷,实用性强,希望这篇“C++智能指针之shared_ptr如何使用”文章能帮助大家解决问题。

std::shared_ptr概念

unique_ptr因为其局限性(独享所有权),一般很少用于多线程操作。在多线程操作的时候,既可以共享资源,又可以自动释放资源,这就引入了shared_ptr。

shared_ptr为了支持跨线程访问,其内部有一个引用计数(线程安全),用来记录当前使用该资源的shared_ptr个数,在结束使用的时候,引用计数为-1,当引用计数为0时,会自动释放其关联的资源。

特点 相对于unique_ptr的独享所有权,shared_ptr可以共享所有权。其内部有一个引用计数,用来记录共享该资源的shared_ptr个数,当共享数为0的时候,会自动释放其关联的资源。

对比unique_ptr,shared_ptr不支持数组,所以,如果用shared_ptr指向一个数组的话,需要自己手动实现deleter,如下所示:

std::shared_ptr<int> p(new int[8], [](int *ptr){delete []ptr;});

shared_ptr模板类

template<class T> class shared_ptr {  public:    using element_type = remove_extent_t<T>;    using weak_type    = weak_ptr<T>;     // 构造函数    constexpr shared_ptr() noexcept;    constexpr shared_ptr(nullptr_t) noexcept : shared_ptr() { }    template<class Y> explicit shared_ptr(Y* p);    template<class Y, class D> shared_ptr(Y* p, D d);    template<class Y, class D, class A> shared_ptr(Y* p, D d, A a);    template<class D> shared_ptr(nullptr_t p, D d);    template<class D, class A> shared_ptr(nullptr_t p, D d, A a);    template<class Y>    shared_ptr(const shared_ptr<Y>& r, element_type* p) noexcept;    template<class Y>    shared_ptr(shared_ptr<Y>&& r, element_type* p) noexcept;    shared_ptr(const shared_ptr& r) noexcept;    template<class Y> shared_ptr(const shared_ptr<Y>& r) noexcept;    shared_ptr(shared_ptr&& r) noexcept;    template<class Y> shared_ptr(shared_ptr<Y>&& r) noexcept;    template<class Y> explicit shared_ptr(const weak_ptr<Y>& r);    template<class Y, class D> shared_ptr(unique_ptr<Y, D>&& r);     // 析构函数    ~shared_ptr();     // 赋值    shared_ptr& operator=(const shared_ptr& r) noexcept;    template<class Y>    shared_ptr& operator=(const shared_ptr<Y>& r) noexcept;    shared_ptr& operator=(shared_ptr&& r) noexcept;    template<class Y>    shared_ptr& operator=(shared_ptr<Y>&& r) noexcept;    template<class Y, class D>    shared_ptr& operator=(unique_ptr<Y, D>&& r);     // 修改函数    void swap(shared_ptr& r) noexcept;    void reset() noexcept;    template<class Y> void reset(Y* p);    template<class Y, class D> void reset(Y* p, D d);    template<class Y, class D, class A> void reset(Y* p, D d, A a);     // 探察函数    element_type* get() const noexcept;    T& operator*() const noexcept;    T* operator->() const noexcept;    element_type& operator[](ptrdiff_t i) const;    long use_count() const noexcept;    explicit operator bool() const noexcept;    template<class U>    bool owner_before(const shared_ptr<U>& b) const noexcept;    template<class U>    bool owner_before(const weak_ptr<U>& b) const noexcept;  };

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。

所有智能指针类都有一个explicit构造函数,该构造函数将指针作为参数。因此不需要自动将指针转换为智能指针对象:

std::shared_ptr<int> pi;int* p_reg = new int;//pi = p_reg;  // not allowed(implicit conversion)pi = std::shared_ptr<int>(p_reg);  // allowed(explicit conversion)//std::shared_ptr<int> pshared = p_reg;  // not allowed(implicit conversion)//std::shared_ptr<int> pshared(g_reg);  // allowed(explicit conversion)

下面我们看一个简单的例子:

#include &lt;iostream&gt;#include &lt;memory&gt;using namespace std;int main(){    std::shared_ptr&lt;int&gt; sp = std::make_shared&lt;int&gt;(10);    cout &lt;&lt; sp.use_count() &lt;&lt; endl;//1    std::shared_ptr&lt;int&gt; sp1(sp);//再次被引用则计数+1    cout &lt;&lt; sp1.use_count() &lt;&lt; endl;//2}

从上面可以看到,多次被引用则会增加计数,我们可以通过使用use_count方法打印具体的计数。

shared_ptr的构造和析构

#include <iostream>#include <memory>struct C {int* data;};int main () { auto deleter = [](int* ptr){    std::cout << "custom deleter called\n";    delete ptr;  };//Labmbda表达式  //默认构造,没有获取任何指针的所有权,引用计数为0  std::shared_ptr<int> sp1;  std::shared_ptr<int> sp2 (nullptr);//同1  //拥有指向int的指针所有权,引用计数为1  std::shared_ptr<int> sp3 (new int);  //同3,但是拥有自己的析构方法,如果指针所指向对象为复杂结构C  //结构C里有指针,默认析构函数不会将结构C里的指针data所指向的内存释放,  //这时需要自己使用自己的析构函数(删除器)  std::shared_ptr<int> sp4 (new int, deleter);  //同4,但拥有自己的分配器(构造函数),  //如成员中有指针,可以为指针分配内存,原理跟浅拷贝和深拷贝类似                           std::shared_ptr<int> sp5 (new int, [](int* p){delete p;}, std::allocator<int>());  //如果p5引用计数不为0,则引用计数加1,否则同样为0, p6为0  std::shared_ptr<int> sp6 (sp5);  //p6的所有权全部移交给p7,p6引用计数变为为0  std::shared_ptr<int> sp7 (std::move(sp6));  //p8获取所有权,引用计数设置为1  std::shared_ptr<int> sp8 (std::unique_ptr<int>(new int));  std::shared_ptr<C> obj (new C);  //同6一样,只不过拥有自己的删除器与4一样  std::shared_ptr<int> sp9 (obj, obj->data);  std::cout << "use_count:\n";  std::cout << "p1: " << sp1.use_count() << '\n'; //0  std::cout << "p2: " << sp2.use_count() << '\n'; //0  std::cout << "p3: " << sp3.use_count() << '\n'; //1  std::cout << "p4: " << sp4.use_count() << '\n'; //1  std::cout << "p5: " << sp5.use_count() << '\n'; //2  std::cout << "p6: " << sp6.use_count() << '\n'; //0  std::cout << "p7: " << sp7.use_count() << '\n'; //2  std::cout << "p8: " << sp8.use_count() << '\n'; //1  std::cout << "p9: " << sp9.use_count() << '\n'; //2  return 0;}

shared_ptr赋值

给shared_ptr赋值有三种方式,如下

#include <iostream>#include <memory>int main () {  std::shared_ptr<int> foo;  std::shared_ptr<int> bar (new int(10));  //右边是左值,拷贝赋值,引用计数加1  foo = bar;   //右边是右值,所以是移动赋值  bar = std::make_shared<int> (20);   //unique_ptr 不共享它的指针。它无法复制到其他 unique_ptr,  //无法通过值传递到函数,也无法用于需要副本的任何标准模板库 (STL) 算法。只能移动unique_ptr  std::unique_ptr<int> unique (new int(30));  // move from unique_ptr,引用计数转移  foo = std::move(unique);   std::cout << "*foo: " << *foo << '\n';  std::cout << "*bar: " << *bar << '\n';  return 0;}

make_shared

看下面make_shared的用法:

#include <iostream>#include <memory>int main () {  std::shared_ptr<int> foo = std::make_shared<int> (10);  // same as:  std::shared_ptr<int> foo2 (new int(10));  //创建内存,并返回共享指针,只创建一次内存  auto bar = std::make_shared<int> (20);  auto baz = std::make_shared<std::pair<int,int>> (30,40);  std::cout << "*foo: " << *foo << '\n';  std::cout << "*bar: " << *bar << '\n';  std::cout << "*baz: " << baz->first << ' ' << baz->second << '\n';  return 0;}

效率提升 std::make_shared(比起直接使用new)的一个特性是能提升效率。使用std::make_shared允许编译器产生更小,更快的代码,产生的代码使用更简洁的数据结构。考虑下面直接使用new的代码:

std::shared_ptr<Test> sp(new Test);

很明显这段代码需要分配内存,但是它实际上要分配两次。每个std::shared_ptr都指向一个控制块,控制块包含被指向对象的引用计数以及其他东西。这个控制块的内存是在std::shared_ptr的构造函数中分配的。因此直接使用new,需要一块内存分配给Widget,还要一块内存分配给控制块。如果使用std::make_shared来替换:

auto sp = std::make_shared<Test>();

一次分配就足够了。这是因为std::make_shared申请一个单独的内存块来同时存放Widget对象和控制块。这个优化减少了程序的静态大小,因为代码只包含一次内存分配的调用,并且这会加快代码的执行速度,因为内存只分配了一次。另外,使用std::make_shared消除了一些控制块需要记录的信息,这样潜在地减少了程序的总内存占用。

对std::make_shared的效率分析可以同样地应用在std::allocate_shared上,所以std::make_shared的性能优点也可以扩展到这个函数上。

异常安全

另外一个std::make_shared的好处是异常安全,我们看下面一句简单的代码:

callTest(std::shared_ptr<Test>(new Test), secondFun());

简单说,上面这个代码可能会发生内存泄漏,我们先来看下上面这个调用中几个语句的执行顺序,可能是顺序如下:

new Test()secondFun()std::shared_ptr<Test>()

如果真是按照上面这样的代码顺序执行,那么在运行期,如果secondFun()中产生了一个异常,程序就会直接返回了,则第一步new Test分配的内存就泄露了,因为它永远不会被存放到在第三步才开始管理它的std::shared_ptr中。但是如果使用std::make_shared则可以避免这样的问题。调用代码将看起来像这样:

callTest(std::make_shared<Test>(), secondFun());

在运行期,不管std::make_shared或secondFun哪一个先被调用。如果std::make_shared先被调用,则在secondFun调用前,指向动态分配出来的Test的原始指针能安全地被存放到std::shared_ptr中。如果secondFun之后产生一个异常,std::shared_ptr的析构函数将发现它持有的Test需要被销毁。并且如果secondFun先被调用并产生一个异常,std::make_shared就不会被调用,因此这里就不需要考虑动态分配的Test了。

计数线程安全?

我们上面一直说shared_ptr中的计数是线程安全的,其实shared_ptr中的计数是使用了我们前面文章介绍的std::atomic特性,引用计数加一减一操作是原子性的,所以线程安全的。引用计数器的使用等价于用 std::memory_order_relaxed 的 std::atomic::fetch_add 自增(自减要求更强的顺序,以安全销毁控制块)。

#include <iostream>#include <memory>#include <thread>#include <chrono>#include <mutex> struct Test{    Test() { std::cout << " Test::Test()\n"; }    ~Test() { std::cout << " Test::~Test()\n"; }}; //线程函数void thr(std::shared_ptr<Test> p){    //线程暂停1s    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));    //赋值操作, shared_ptr引用计数use_cont加1(c++11中是原子操作)    std::shared_ptr<Test> lp = p;    {        //static变量(单例模式),多线程同步用        static std::mutex io_mutex;        //std::lock_guard加锁        std::lock_guard<std::mutex> lk(io_mutex);        std::cout << "local pointer in a thread:\n"            << " lp.get() = " << lp.get()            << ", lp.use_count() = " << lp.use_count() << '\n';    }} int main(){    //使用make_shared一次分配好需要内存    std::shared_ptr<Test> p = std::make_shared<Test>();    //std::shared_ptr<Test> p(new Test);    std::cout << "Created a shared Test\n"        << " p.get() = " << p.get()        << ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';    //创建三个线程,t1,t2,t3    //形参作为拷贝, 引用计数也会加1    std::thread t1(thr, p), t2(thr, p), t3(thr, p);    std::cout << "Shared ownership between 3 threads and released\n"        << "ownership from main:\n"        << " p.get() = " << p.get()        << ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';    //等待结束    t1.join(); t2.join(); t3.join();    std::cout << "All threads completed, the last one deleted\n";    return 0;}

输出:

Test::Test()
Created a shared Test
 p.get() = 0xa7cec0, p.use_count() = 1
Shared ownership between 3 threads and released
ownership from main:
 p.get() = 0xa7cec0, p.use_count() = 4
local pointer in a thread:
 lp.get() = 0xa7cec0, lp.use_count() = 5
local pointer in a thread:
 lp.get() = 0xa7cec0, lp.use_count() = 4
local pointer in a thread:
 lp.get() = 0xa7cec0, lp.use_count() = 3
All threads completed, the last one deleted
 Test::~Test()

enable_shared_from_this

在某些场合下,会遇到一种情况,如何安全的获取对象的this指针,一般来说我们不建议直接返回this指针,可以想象下有这么一种情况,返回的this指针保存在外部一个局部或全局变量,当对象已经被析构了,但是外部变量并不知道指针指向的对象已经被析构了,如果此时外部继续使用了这个指针就会发生程序奔溃。既要像指针操作对象一样,又能安全的析构对象,很自然就想到,智能指针就很合适!我们来看下面这段程序:

#include <iostream>#include <memory>class Test{public:    Test(){        std::cout << "Test::Test()" << std::endl;    }    ~Test(){        std::cout << "Test::~Test()" << std::endl;    }    std::shared_ptr<Test> GetThis(){        return std::shared_ptr<Test>(this);    }};int main(){    std::shared_ptr<Test> p(new Test());    std::shared_ptr<Test> p_this = p->GetThis();    std::cout << p.use_count() << std::endl;    std::cout << p_this.use_count() << std::endl;    return 0;}

编译运行后程序输出如下:

free(): double free detected in tcache 2
Test::Test()
1
1
Test::~Test()
Test::~Test()

从上面的输出可以看到,构造函数调用了一次,析构函数却调用了两次,很明显这是不正确的。而std::enable_shared_from_this正是为了解决这个问题而存在。

std::enable_shared_from_this 能让一个对象(假设其名为 t ,且已被一个 std::shared_ptr 对象 pt 管理)安全地生成其他额外的 std::shared_ptr 实例(假设名为 pt1, pt2, ... ) ,它们与 pt 共享对象 t 的所有权(这个是关键,直接使用this无法达到该效果)。

std::enable_shared_from_this是模板类,内部有个_Tp类型weak_ptr指针,std::enable_shared_from_this的构造函数都是protected,因此不能直接创建std::enable_from_shared_from_this类的实例变量,只能作为基类使用,通过调用shared_from_this成员函数,将会返回一个新的 std::shared_ptr<T> 对象,它与 pt 共享 t 的所有权。因此使用方法如下代码所示:

#include <iostream>#include <memory>// 这里必须要 public继承,除非用structclass Test : public std::enable_shared_from_this<Test> {public:    Test(){        std::cout << "Test::Test()" << std::endl;    }    ~Test(){        std::cout << "Test::~Test()" << std::endl;    }    std::shared_ptr<Test> GetThis(){        std::cout << "shared_from_this()" << std::endl;        return shared_from_this();    }};int main(){    std::shared_ptr<Test> p(new Test());    std::shared_ptr<Test> p_this = p->GetThis();    std::cout << p.use_count() << std::endl;    std::cout << p_this.use_count() << std::endl;    return 0;}

在类内部通过 enable_shared_from_this 定义的 shared_from_this() 函数构造一个 shared_ptr<Test>对象, 能和其他 shared_ptr 共享 Test 对象。一般我们使用在异步线程中,在异步调用中,存在一个保活机制,异步函数执行的时间点我们是无法确定的,然而异步函数可能会使用到异步调用之前就存在的变量。为了保证该变量在异步函数执期间一直有效,我们可以传递一个指向自身的share_ptr给异步函数,这样在异步函数执行期间share_ptr所管理的对象就不会析构,所使用的变量也会一直有效了(保活)。

shared_ptr使用注意事项:

关于“C++智能指针之shared_ptr如何使用”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识,可以关注编程网行业资讯频道,小编每天都会为大家更新不同的知识点。

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