智能指针学习
2014-02-16 20:42
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最近接触到智能指针很多,于是研究了一下智能指针的原理,写下自己的心得体会,有不对的还请指正。
智能指针产生的目的:因为在C++中,存在非常复杂的指针错误问题,例如,某个对象生成后,指向该对象的指针可能有多个,当我们用delete语句删除其中的一个指针后,对象就被销毁,那么其余指向该对象的指针就会悬空,这样很容易出错内存误,为避免出现这样的问题,出现了智能指针.
智能指针有2种构造方法,一种是插入式的还有一种是非插入式的,非插入式指针一般是直接采用裸指针作为参数进行创建,不需要修改现有的对象代码,而插入式是采用一个公用的有数量统计功能的基类来派生需要智能指针的类,相对来说,插入式构造方法将需要更多的额外空间,而且需要修改原类。非插入式智能指针(Shared_ptr)可以从裸指针,另一个shared_ptr、一个std::auto_ptr、或者一个boost::weak_ptr 来构造,还可以传递第二个参数给shared_ptr的构造函数,它被称为删除器(deleter)。删除器稍后会被调用,来处理共享资源的释放。
这对于管理那些不是用new分配也不是用delete释放的资源时非常有用。Shareed_Ptr 被创建后,它就可象普通指针一样使用了,除了一点,它不能被显式地删除,列举一个shared_ptr的例子,有时候把对象直接存入容器中有时会有些麻烦,以值的方式保存对象意味着使用者将获得容器中的元素的拷贝,对于那些复制是一种昂贵的操作的类型来说可能会有性能的问题。此外,有些容器,特别是 std::vector, 当你加入元素时可能会复制所有元素,这更加重了性能的问题。最后,传值的语义意味着没有多态的行为。如果你需要在容器中存放多态的对象而且你不想切割它们,你必须用指针。如果你用裸指针,维护元素的完整性会非常复杂。从容器中删除元素时,你必须知道容器的使用者是否还在引用那些要删除的元素,不用担心多个使用者使用同一个元素。这些问题都可以用shared_ptr来解决。插入式版本。有时我们必须使用插入式的引用计数智能指针。典型的情况是对于那些已经写好了内部引用计数器的代码,而我们又没有时间去重写它(或者已经不能获得那些代码了)。另一种情况是要求智能指针的大小必须与裸指针大小严格相等,或者shared_ptr的引用计数器分配严重影响了程序的性能(这是非常罕见的情况!)。从功能的观点来看,唯一需要插入式智能指针的情况是,被指类的某个成员函数需要返回this,以便它可以用于另一个智能指针(事实上,也有办法使用非插入式智能指针来解决这个问题)。intrusive_ptr 不同于其它智能指针,因为它要求你来提供它所要的引用计数器。当 intrusive_ptr 递增或递减一个非空指针上的引用计数时,它是通过分别调用函数 intrusive_ptr_add_ref 和 intrusive_ptr_release来完成的。这两个函数负责确保引用计数的正确性,并且负责在引用计数降为零时删除指针。因此,你必须为你的类重载这两个函数。
下面是部分实现源代码:
非插入式版本:
插入式版本(只列出了最重要的函数)
使用intrusive_ptr与使用shared_ptr相比,有两个主要的不同之处。第一个是你需要提供引用计数的机制。第二个是把this当成智能指针是合法的[12],正如我们即将看到的,有时候这样很方便。注意,在多数情况下,应该使用非插入式的 shared_ptr. 你不能用shared_ptr 来做到这一点,如果没有进行特殊处理的话,如 enable_shared_from_this.要使用 boost::intrusive_ptr, 要包含 "boost/intrusive_ptr.hpp" 并定义两个普通函数 intrusive_ptr_add_ref 和 intrusive_ptr_release. 它们都要接受一个参数,即指向你要使用intrusive_ptr的类型的指针。这两个函数的返回值被忽略。通常的做法是,泛化这两个函数,简单地调用被管理类型的成员函数去完成工作(例如,调用 add_ref 和 release)。如果引用计数降为零,intrusive_ptr_release 应该负责释放资源。以下是你应该如何实现这两个泛型函数的示范:
注意,这两个函数应该定义在它们的参数类型所在的作用域内。这意味着如果这个函数接受的参数类型来自于一个名字空间,则函数也必须定义在那里。这样做的原因是,函数的调用是非受限的,即允许采用参数相关查找,而如果有多个版本的函数被提供,那么全部名字空间肯定不是放置它们的好地方。我们稍后将看到一个关于如何放置它们的例子,但首先,我们需要提供某类的引用计数器。
2、std::auto_ptrstd::auto_ptr 属于 STL,当然在 namespace std 中,包含头文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。我们从代码开始分析:
执行结果为:Simple: 1PrintSomething:PrintSomething: AdditionPrintSomething: Addition other~Simple: 1上述为正常使用 std::auto_ptr 的代码,一切似乎都良好,无论如何不用我们显示使用该死的 delete 了。其实好景不长,我们看看如下的另一个例子:
最终如上代码导致崩溃,如上代码时绝对符合 C++ 编程思想的,居然崩溃了,跟进 std::auto_ptr 的源码后,我们看到,罪魁祸首是“my_memory2 = my_memory”,这行代码,my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权,导致 my_memory 悬空,最后使用时导致崩溃。所以,使用 std::auto_ptr 时,绝对不能使用“operator=”操作符。作为一个库,不允许用户使用,确没有明确拒绝[1],多少会觉得有点出乎预料。 看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后,让我们再来看一个:
执行结果为:Simple: 1看到什么异常了吗?我们创建出来的对象没有被析构,没有输出“~Simple: 1”,导致内存泄露。当我们不想让 my_memory 继续生存下去,我们调用 release() 函数释放内存,结果却导致内存泄露(在内存受限系统中,如果my_memory占用太多内存,我们会考虑在使用完成后,立刻归还,而不是等到 my_memory 结束生命期后才归还)。正确的代码应该为:
或
原来 std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权,这显然也不符合 C++ 编程思想。
总结:std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存,但是,请注意如下几点:
(1) 尽量不要使用“operator=”。如果使用了,请不要再使用先前对象。
(2) 记住 release() 函数不会释放对象,仅仅归还所有权。
(3) std::auto_ptr 最好不要当成参数传递(读者可以自行写代码确定为什么不能)。
(4) 由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题,有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。
(5) ……
使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多,还不能用来管理堆内存数组,这应该是你目前在想的事情吧,我也觉得限制挺多的,哪天一个不小心,就导致问题了。
由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题,一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想,所以引发了下面 boost 的智能指针,boost 智能指针可以解决如上问题。
让我们继续向下看。
3、boost::scoped_ptr
boost::scoped_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样,可以方便的管理单个堆内存对象,特别的是,boost::scoped_ptr 独享所有权,避免了 std::auto_ptr 恼人的几个问题。
我们还是从代码开始分析:
首先,我们可以看到,boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数,不会导致先前的内存泄露问题。其次,由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的,所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句,可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。
由于
boost::scoped_ptr 独享所有权,当我们真真需要复制智能指针时,需求便满足不了了,如此我们再引入一个智能指针,专门用于处理复制,参数传递的情况,这便是如下的 boost::shared_ptr。
4、boost::shared_ptr
boost::shared_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到boost::scoped_ptr 独享所有权,不允许赋值、拷贝,boost::shared_ptr 是
专门用于共享所有权的,由于要共享所有权,其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。
我们还是从代码开始分析:
执行结果为:
Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr2 UseCount: 1
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr UseCount: 2
TestSharedPtr2 UseCount: 1
~Simple: 1
boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点,boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数,由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr
提供了一个函数 use_count() ,此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果,我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中,引用计数为 1,传递参数后(此处进行了一次复制),在函数TestSharedPtr 内部,引用计数为2,在 TestSharedPtr 返回后,引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候,boost::shared_ptr
是再好不过的了。
在此,我们已经看完单个对象的智能指针管理,关于智能指针管理数组,我们接下来讲到。
5、boost::scoped_array
boost::scoped_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样,也是独享所有权的。
我们还是从代码开始分析:
boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多,不支持复制,并且初始化的时候需要使用动态数组。另外,boost::scoped_array 没有重载“operator*”,其实这并无大碍,一般情况下,我们使用 get() 函数更明确些。
下面肯定应该讲 boost::shared_array 了,一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。
6、boost::shared_array
boost::shared_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
由于 boost::scoped_array 独享所有权,显然在很多情况下(参数传递、对象赋值等)不满足需求,由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样,内部使用了引用计数。
我们还是从代码开始分析:
执行结果为:
Simple: 0
Simple: 0
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 00
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 11
TestSharedArray2 UseCount: 1
TestSharedArray UseCount: 2
TestSharedArray2 UseCount: 1
~Simple: 0
~Simple: 0
跟 boost::shared_ptr 一样,使用了引用计数,可以复制,通过参数来传递。
至此,我们讲过的智能指针有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了,90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针,它们肯定有用,但有什么用处呢,一起看看吧。
7、boost::weak_ptr
boost::weak_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
在讲 boost::weak_ptr 之前,让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了,这儿还多出一个 boost::weak_ptr,是否还有某些情况我们没纳入考虑呢?
回答:有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候,我们只关心能否使用对象,并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr
是 boost::shared_ptr 的观察者(Observer)对象,观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用,而不改变其引用计数,当被观察的 boost::shared_ptr 失效后,相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。
我们还是从代码开始分析:
执行结果为:
Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1
我们看到,尽管被赋值了,内部的引用计数并没有什么变化,当然,读者也可以试试传递参数等其他情况。
现在要说的问题是,boost::weak_ptr 到底有什么作用呢?从上面那个例子看来,似乎没有任何作用,其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中,可以在基类(此处的基类并非抽象基类,而是指继承于抽象基类的虚基类)中定义一个 boost::weak_ptr,用于指向子类的 boost::shared_ptr,这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了,而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数,用以降低复杂度,更好的管理对象。
8、boost::intrusive_ptr
boost::intrusive_ptr属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
讲完如上 6 种智能指针后,对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了,现在有多了一种 boost::intrusive_ptr,这是一种插入式的智能指针,内部不含有引用计数,需要程序员自己加入引用计数,不然编译不过(⊙﹏⊙b汗)。个人感觉这个智能指针没太大用处,至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码哦J。
三、总结
如上讲了这么多智能指针,有必要对这些智能指针做个总结:
1、在可以使用 boost 库的场合下,拒绝使用 std::auto_ptr,因为其不仅不符合 C++ 编程思想,而且极容易出错[2]。
2、在确定对象无需共享的情况下,使用 boost::scoped_ptr(当然动态数组使用 boost::scoped_array)。
3、在对象需要共享的情况下,使用 boost::shared_ptr(当然动态数组使用 boost::shared_array)。
4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象,而又不想改变其引用计数的情况下,使用 boost::weak_ptr,一般常用于软件框架设计中。
5、最后一点,也是要求最苛刻一点:在你的代码中,不要出现 delete 关键字(或 C 语言的 free 函数),因为可以用智能指针去管理。
当类中有指针成员时,一般有两种方式来管理指针成员:一是采用值型的方式管理,每个类对象都保留一份指针指向的对象的拷贝;另一种更优雅的方式是使用智能指针,从而实现指针指向的对象的共享。
智能指针(smart pointer)的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。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)。
实现引用计数有两种经典策略:一是引入辅助类,二是使用句柄类。下面分别介绍这些内容。
问题描述
假设有一个名为TestPtr的类,里面有一个指针成员,简化为如下代码:
在这种情况下,类TestPtr对象的任何拷贝、赋值操作都会使多个TestPtr对象共享相同的指针。但在一个对象发生析构时,指针指向的对象将被释放,从而可能引起悬垂指针。
现在我们使用引用计数来解决这个问题,一个新的问题是引用计数放在哪里。显然,不能放在TestPtr类中,因为多个对象共享指针时无法同步更新引用计数。
方案一
这里给出的解决方案是,定义一个单独的具体类(RefPtr)来封装指针和相应的引用计数。由于这个类只是用于对类TestPtr中的成员指针ptr进行了封装,无其它用途,所以把引用计数类RefPtr的所有成员均定义为private,并把类TestPtr声明为它的友元类,使TestPtr类可以访问RefPtr类。示例代码如下:
当希望每个TestPtr对象中的指针所指向的内容改变而不影响其它对象的指针所指向的内容时,可以在发生修改时,创建新的对象,并修改相应的引用计数。这种技术的一个实例就是写时拷贝(Copy-On-Write)。
这种方案的缺点是每个含有指针的类的实现代码中都要自己控制引用计数,比较繁琐。特别是当有多个这类指针时,维护引用计数比较困难。
方案二
为了避免上面方案中每个使用指针的类自己去控制引用计数,可以用一个类把指针封装起来。封装好后,这个类对象可以出现在用户类使用指针的任何地方,表现为一个指针的行为。我们可以像指针一样使用它,而不用担心普通成员指针所带来的问题,我们把这样的类叫句柄类。在封装句柄类时,需要申请一个动态分配的引用计数空间,指针与引用计数分开存储。实现示例如下:
===============================================================================================
超类(SuperClass) :用java术语来讲,被继承的类称为超类(SuperClass),也有叫做父类,继承的类称为子类。
面向对象编程的最重要的特色之一就是能够使用以前创建的类的方法和域。通过简单的类来创建功能强大的类,可以大幅地节省编程时间,更重要的是,这样做可以减少代码出错的机会。要在以前的类上构造新类,就必须在类声明中扩展这个类。
通过扩展一个超类,可以得到这个类的一个新副本,并且可以在其上添加其他功能。如果对这个新类并不做任何添加工作,那么,它的工作情况与超类完全相同,新类中会含有超类所声明和继承的、具有访问权限的所有方法和域。
对于超类,应该确切地理解this和super关键字的使用,下图演示了这两个关键字的使用。
2010-08-17 18:21friendsfriend | 分类:其他编程语言 | 浏览1025次
智能指针产生的目的:因为在C++中,存在非常复杂的指针错误问题,例如,某个对象生成后,指向该对象的指针可能有多个,当我们用delete语句删除其中的一个指针后,对象就被销毁,那么其余指向该对象的指针就会悬空,这样很容易出错内存误,为避免出现这样的问题,出现了智能指针.
智能指针有2种构造方法,一种是插入式的还有一种是非插入式的,非插入式指针一般是直接采用裸指针作为参数进行创建,不需要修改现有的对象代码,而插入式是采用一个公用的有数量统计功能的基类来派生需要智能指针的类,相对来说,插入式构造方法将需要更多的额外空间,而且需要修改原类。非插入式智能指针(Shared_ptr)可以从裸指针,另一个shared_ptr、一个std::auto_ptr、或者一个boost::weak_ptr 来构造,还可以传递第二个参数给shared_ptr的构造函数,它被称为删除器(deleter)。删除器稍后会被调用,来处理共享资源的释放。
这对于管理那些不是用new分配也不是用delete释放的资源时非常有用。Shareed_Ptr 被创建后,它就可象普通指针一样使用了,除了一点,它不能被显式地删除,列举一个shared_ptr的例子,有时候把对象直接存入容器中有时会有些麻烦,以值的方式保存对象意味着使用者将获得容器中的元素的拷贝,对于那些复制是一种昂贵的操作的类型来说可能会有性能的问题。此外,有些容器,特别是 std::vector, 当你加入元素时可能会复制所有元素,这更加重了性能的问题。最后,传值的语义意味着没有多态的行为。如果你需要在容器中存放多态的对象而且你不想切割它们,你必须用指针。如果你用裸指针,维护元素的完整性会非常复杂。从容器中删除元素时,你必须知道容器的使用者是否还在引用那些要删除的元素,不用担心多个使用者使用同一个元素。这些问题都可以用shared_ptr来解决。插入式版本。有时我们必须使用插入式的引用计数智能指针。典型的情况是对于那些已经写好了内部引用计数器的代码,而我们又没有时间去重写它(或者已经不能获得那些代码了)。另一种情况是要求智能指针的大小必须与裸指针大小严格相等,或者shared_ptr的引用计数器分配严重影响了程序的性能(这是非常罕见的情况!)。从功能的观点来看,唯一需要插入式智能指针的情况是,被指类的某个成员函数需要返回this,以便它可以用于另一个智能指针(事实上,也有办法使用非插入式智能指针来解决这个问题)。intrusive_ptr 不同于其它智能指针,因为它要求你来提供它所要的引用计数器。当 intrusive_ptr 递增或递减一个非空指针上的引用计数时,它是通过分别调用函数 intrusive_ptr_add_ref 和 intrusive_ptr_release来完成的。这两个函数负责确保引用计数的正确性,并且负责在引用计数降为零时删除指针。因此,你必须为你的类重载这两个函数。
下面是部分实现源代码:
非插入式版本:
namespace boost { template<typename T> class shared_ptr { public: template <class Y> explicit shared_ptr(Y* p); //从裸露指针构造 template <class Y,class D> shared_ptr(Y* p,D d); //从裸露指针构造,同时指定删除器 ~shared_ptr(); shared_ptr(const shared_ptr & r); //从另一个指针指针构造 template <class Y> explicit shared_ptr(const weak_ptr<Y>& r);//从弱指针构造 template <class Y> explicit shared_ptr(std::auto_ptr<Y>& r);//从自动指针构造 shared_ptr& operator=(const shared_ptr& r); void reset();//用于停止对保存指针的所有权的共享。共享资源的引用计数减一 T& operator*() const; T* operator->() const; T* get() const; bool unique() const; long use_count() const; operator unspecified_bool_type() const; void swap(shared_ptr<T>& b); }; template <class T,class U> shared_ptr<T> static_pointer_cast(const shared_ptr<U>& r); }
插入式版本(只列出了最重要的函数)
namespace boost { template<class T> class intrusive_ptr { public: intrusive_ptr(T* p,bool add_ref=true); intrusive_ptr(const intrusive_ptr& r); ~intrusive_ptr(); T& operator*() const; T* operator->() const; T* get() const; operator unspecified-bool-type() const; }; template <class T> T* get_pointer(const intrusive_ptr<T>& p); template <class T,class U> intrusive_ptr<T> static_pointer_cast(const intrusive_ptr<U>& r);
使用intrusive_ptr与使用shared_ptr相比,有两个主要的不同之处。第一个是你需要提供引用计数的机制。第二个是把this当成智能指针是合法的[12],正如我们即将看到的,有时候这样很方便。注意,在多数情况下,应该使用非插入式的 shared_ptr. 你不能用shared_ptr 来做到这一点,如果没有进行特殊处理的话,如 enable_shared_from_this.要使用 boost::intrusive_ptr, 要包含 "boost/intrusive_ptr.hpp" 并定义两个普通函数 intrusive_ptr_add_ref 和 intrusive_ptr_release. 它们都要接受一个参数,即指向你要使用intrusive_ptr的类型的指针。这两个函数的返回值被忽略。通常的做法是,泛化这两个函数,简单地调用被管理类型的成员函数去完成工作(例如,调用 add_ref 和 release)。如果引用计数降为零,intrusive_ptr_release 应该负责释放资源。以下是你应该如何实现这两个泛型函数的示范:
template <typename T> void intrusive_ptr_add_ref(T* t) { t->add_ref(); } template <typename T> void intrusive_ptr_release(T* t) { if (t->release()<=0) delete t; }
注意,这两个函数应该定义在它们的参数类型所在的作用域内。这意味着如果这个函数接受的参数类型来自于一个名字空间,则函数也必须定义在那里。这样做的原因是,函数的调用是非受限的,即允许采用参数相关查找,而如果有多个版本的函数被提供,那么全部名字空间肯定不是放置它们的好地方。我们稍后将看到一个关于如何放置它们的例子,但首先,我们需要提供某类的引用计数器。
explicit关键字:
c++中的explicit关键字用来修饰类的构造函数,表明该构造函数是显式的,既然有"显式"那么必然就有"隐式",那么什么是显示而什么又是隐式的呢?如果c++类的构造函数有一个参数,那么在编译的时候就会有一个缺省的转换操作:将该构造函数对应数据类型的数据转换为该类对象,如下面所示:
class MyClass { public: MyClass( int num ); } .... MyClass obj = 10; //ok,convert int to MyClass
在上面的代码中编译器自动将整型转换为MyClass类对象,实际上等同于下面的操作: MyClass temp(10); MyClass obj = temp; 上面的所有的操作即是所谓的"隐式转换"。
未完待续。。。。。
C++智能指针详解
一、简介由于 C++ 语言没有自动内存回收机制,程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete,流程太复杂,最终导致没有 delete,异常导致程序过早退出,没有执行 delete 的情况并不罕见。用智能指针便可以有效缓解这类问题,本文主要讲解参见的智能指针的用法。包括:std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost:: intrusive_ptr。你可能会想,如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题,真的有必要吗?看完这篇文章后,我想你心里自然会有答案。 下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针(smart_ptr)。二、具体使用
1、总括对于编译器来说,智能指针实际上是一个栈对象,并非指针类型,在栈对象生命期即将结束时,智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了“operator->”操作符,直接返回对象的引用,用以操作对象。访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。访问智能指针包含的裸指针则可以用 get() 函数。由于智能指针是一个对象,所以if (my_smart_object)永远为真,要判断智能指针的裸指针是否为空,需要这样判断:if (my_smart_object.get())。智能指针包含了 reset() 方法,如果不传递参数(或者传递 NULL),则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象,则智能指针会释放当前对象,来管理新传入的对象。我们编写一个测试类来辅助分析:class Simple { public: Simple(int param = 0) { number = param; std::cout << "Simple: " << number << std::endl; } ~Simple() { std::cout << "~Simple: " << number << std::endl; } void PrintSomething() { std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl; } std::string info_extend; int number; };
2、std::auto_ptrstd::auto_ptr 属于 STL,当然在 namespace std 中,包含头文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。我们从代码开始分析:
void TestAutoPtr() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); // 创建对象,输出:Simple:1 if (my_memory.get()) { // 判断智能指针是否为空 my_memory->PrintSomething(); // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数 my_memory.get()->info_extend = "Addition"; // 使用 get() 返回裸指针,然后给内部对象赋值 my_memory->PrintSomething(); // 再次打印,表明上述赋值成功 (*my_memory).info_extend += " other"; // 使用 operator* 返回智能指针内部对象,然后用“.”调用智能指针对象中的函数 my_memory->PrintSomething(); // 再次打印,表明上述赋值成功 } }
执行结果为:Simple: 1PrintSomething:PrintSomething: AdditionPrintSomething: Addition other~Simple: 1上述为正常使用 std::auto_ptr 的代码,一切似乎都良好,无论如何不用我们显示使用该死的 delete 了。其实好景不长,我们看看如下的另一个例子:
void TestAutoPtr2() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { std::auto_ptr<Simple> my_memory2; // 创建一个新的 my_memory2 对象 my_memory2 = my_memory; // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2 my_memory2->PrintSomething(); // 输出信息,复制成功 my_memory->PrintSomething(); // 崩溃 } } // my_memory 栈对象即将结束生命期,析构堆对象 Simple(1)
最终如上代码导致崩溃,如上代码时绝对符合 C++ 编程思想的,居然崩溃了,跟进 std::auto_ptr 的源码后,我们看到,罪魁祸首是“my_memory2 = my_memory”,这行代码,my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权,导致 my_memory 悬空,最后使用时导致崩溃。所以,使用 std::auto_ptr 时,绝对不能使用“operator=”操作符。作为一个库,不允许用户使用,确没有明确拒绝[1],多少会觉得有点出乎预料。 看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后,让我们再来看一个:
void TestAutoPtr3() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { my_memory.release(); } }
执行结果为:Simple: 1看到什么异常了吗?我们创建出来的对象没有被析构,没有输出“~Simple: 1”,导致内存泄露。当我们不想让 my_memory 继续生存下去,我们调用 release() 函数释放内存,结果却导致内存泄露(在内存受限系统中,如果my_memory占用太多内存,我们会考虑在使用完成后,立刻归还,而不是等到 my_memory 结束生命期后才归还)。正确的代码应该为:
void TestAutoPtr3() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { Simple* temp_memory = my_memory.release(); delete temp_memory; } }
或
void TestAutoPtr3() { std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { my_memory.reset(); // 释放 my_memory 内部管理的内存 } }
原来 std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权,这显然也不符合 C++ 编程思想。
总结:std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存,但是,请注意如下几点:
(1) 尽量不要使用“operator=”。如果使用了,请不要再使用先前对象。
(2) 记住 release() 函数不会释放对象,仅仅归还所有权。
(3) std::auto_ptr 最好不要当成参数传递(读者可以自行写代码确定为什么不能)。
(4) 由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题,有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。
(5) ……
使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多,还不能用来管理堆内存数组,这应该是你目前在想的事情吧,我也觉得限制挺多的,哪天一个不小心,就导致问题了。
由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题,一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想,所以引发了下面 boost 的智能指针,boost 智能指针可以解决如上问题。
让我们继续向下看。
3、boost::scoped_ptr
boost::scoped_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样,可以方便的管理单个堆内存对象,特别的是,boost::scoped_ptr 独享所有权,避免了 std::auto_ptr 恼人的几个问题。
我们还是从代码开始分析:
void TestScopedPtr() { boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get()) { my_memory->PrintSomething(); my_memory.get()->info_extend = "Addition"; my_memory->PrintSomething(); (*my_memory).info_extend += " other"; my_memory->PrintSomething(); my_memory.release(); // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数 std::auto_ptr<Simple> my_memory2; my_memory2 = my_memory; // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=,不会导致所有权转移 } }
首先,我们可以看到,boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数,不会导致先前的内存泄露问题。其次,由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的,所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句,可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。
由于
boost::scoped_ptr 独享所有权,当我们真真需要复制智能指针时,需求便满足不了了,如此我们再引入一个智能指针,专门用于处理复制,参数传递的情况,这便是如下的 boost::shared_ptr。
4、boost::shared_ptr
boost::shared_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到boost::scoped_ptr 独享所有权,不允许赋值、拷贝,boost::shared_ptr 是
专门用于共享所有权的,由于要共享所有权,其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。
我们还是从代码开始分析:
void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) { // 注意:无需使用 reference (或 const reference) memory->PrintSomething(); std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl; } void TestSharedPtr2() { boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); if (my_memory.get() { my_memory->PrintSomething(); my_memory.get()->info_extend = "Addition"; my_memory->PrintSomething(); (*my_memory).info_extend += " other"; my_memory->PrintSomething(); } std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; TestSharedPtr(my_memory); std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; //my_memory.release();// 编译 error: 同样,shared_ptr 也没有 release 函数 }
执行结果为:
Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr2 UseCount: 1
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr UseCount: 2
TestSharedPtr2 UseCount: 1
~Simple: 1
boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点,boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数,由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr
提供了一个函数 use_count() ,此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果,我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中,引用计数为 1,传递参数后(此处进行了一次复制),在函数TestSharedPtr 内部,引用计数为2,在 TestSharedPtr 返回后,引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候,boost::shared_ptr
是再好不过的了。
在此,我们已经看完单个对象的智能指针管理,关于智能指针管理数组,我们接下来讲到。
5、boost::scoped_array
boost::scoped_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样,也是独享所有权的。
我们还是从代码开始分析:
void TestScopedArray() { boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化 if (my_memory.get()) { my_memory[0].PrintSomething(); my_memory.get()[0].info_extend = "Addition"; my_memory[0].PrintSomething(); (*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 编译 error,scoped_ptr 没有重载 operator* my_memory[0].release(); // 同上,没有 release 函数 boost::scoped_array<Simple> my_memory2; my_memory2 = my_memory; // 编译 error,同上,没有重载 operator= } }
boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多,不支持复制,并且初始化的时候需要使用动态数组。另外,boost::scoped_array 没有重载“operator*”,其实这并无大碍,一般情况下,我们使用 get() 函数更明确些。
下面肯定应该讲 boost::shared_array 了,一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。
6、boost::shared_array
boost::shared_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
由于 boost::scoped_array 独享所有权,显然在很多情况下(参数传递、对象赋值等)不满足需求,由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样,内部使用了引用计数。
我们还是从代码开始分析:
void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) { // 注意:无需使用 reference (或 const reference) std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl; } void TestSharedArray2() { boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); if (my_memory.get()) { my_memory[0].PrintSomething(); my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00"; my_memory[0].PrintSomething(); my_memory[1].PrintSomething(); my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11"; my_memory[1].PrintSomething(); //(*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 编译 error,scoped_ptr 没有重载 operator* } std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; TestSharedArray(my_memory); std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; }
执行结果为:
Simple: 0
Simple: 0
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 00
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 11
TestSharedArray2 UseCount: 1
TestSharedArray UseCount: 2
TestSharedArray2 UseCount: 1
~Simple: 0
~Simple: 0
跟 boost::shared_ptr 一样,使用了引用计数,可以复制,通过参数来传递。
至此,我们讲过的智能指针有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了,90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针,它们肯定有用,但有什么用处呢,一起看看吧。
7、boost::weak_ptr
boost::weak_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
在讲 boost::weak_ptr 之前,让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了,这儿还多出一个 boost::weak_ptr,是否还有某些情况我们没纳入考虑呢?
回答:有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候,我们只关心能否使用对象,并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr
是 boost::shared_ptr 的观察者(Observer)对象,观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用,而不改变其引用计数,当被观察的 boost::shared_ptr 失效后,相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。
我们还是从代码开始分析:
void TestWeakPtr() { boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak; boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; my_memory_weak = my_memory; std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl; }
执行结果为:
Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1
我们看到,尽管被赋值了,内部的引用计数并没有什么变化,当然,读者也可以试试传递参数等其他情况。
现在要说的问题是,boost::weak_ptr 到底有什么作用呢?从上面那个例子看来,似乎没有任何作用,其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中,可以在基类(此处的基类并非抽象基类,而是指继承于抽象基类的虚基类)中定义一个 boost::weak_ptr,用于指向子类的 boost::shared_ptr,这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了,而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数,用以降低复杂度,更好的管理对象。
8、boost::intrusive_ptr
boost::intrusive_ptr属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
讲完如上 6 种智能指针后,对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了,现在有多了一种 boost::intrusive_ptr,这是一种插入式的智能指针,内部不含有引用计数,需要程序员自己加入引用计数,不然编译不过(⊙﹏⊙b汗)。个人感觉这个智能指针没太大用处,至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码哦J。
三、总结
如上讲了这么多智能指针,有必要对这些智能指针做个总结:
1、在可以使用 boost 库的场合下,拒绝使用 std::auto_ptr,因为其不仅不符合 C++ 编程思想,而且极容易出错[2]。
2、在确定对象无需共享的情况下,使用 boost::scoped_ptr(当然动态数组使用 boost::scoped_array)。
3、在对象需要共享的情况下,使用 boost::shared_ptr(当然动态数组使用 boost::shared_array)。
4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象,而又不想改变其引用计数的情况下,使用 boost::weak_ptr,一般常用于软件框架设计中。
5、最后一点,也是要求最苛刻一点:在你的代码中,不要出现 delete 关键字(或 C 语言的 free 函数),因为可以用智能指针去管理。
智能指针的原理和实现
当类中有指针成员时,一般有两种方式来管理指针成员:一是采用值型的方式管理,每个类对象都保留一份指针指向的对象的拷贝;另一种更优雅的方式是使用智能指针,从而实现指针指向的对象的共享。智能指针(smart pointer)的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。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)。
实现引用计数有两种经典策略:一是引入辅助类,二是使用句柄类。下面分别介绍这些内容。
问题描述
假设有一个名为TestPtr的类,里面有一个指针成员,简化为如下代码:
class TestPtr { public: TestPtr(int *p): ptr(p) { } ~TestPtr( ) { delete ptr; } // other operations private: int *ptr; // other data };
在这种情况下,类TestPtr对象的任何拷贝、赋值操作都会使多个TestPtr对象共享相同的指针。但在一个对象发生析构时,指针指向的对象将被释放,从而可能引起悬垂指针。
现在我们使用引用计数来解决这个问题,一个新的问题是引用计数放在哪里。显然,不能放在TestPtr类中,因为多个对象共享指针时无法同步更新引用计数。
方案一
这里给出的解决方案是,定义一个单独的具体类(RefPtr)来封装指针和相应的引用计数。由于这个类只是用于对类TestPtr中的成员指针ptr进行了封装,无其它用途,所以把引用计数类RefPtr的所有成员均定义为private,并把类TestPtr声明为它的友元类,使TestPtr类可以访问RefPtr类。示例代码如下:
class RefPtr { friend class TestPtr; int *ptr; size_t count; RefPtr (int *p): ptr(p), count(1) {} ~RefPtr () { delete ptr; } }; class TestPtr { public: TestPtr(int *p): ptr(new RefPtr(p)) { } TestPtr(const TestPtr& src): ptr(src.ptr) { ++ptr->count; } TestPtr& operator= (const TestPtr& rhs) { // self-assigning is also right ++rhs.ptr->count; if (--ptr->count == 0) delete ptr; ptr = rhs.ptr; return *this; } ~TestPtr() { if (--ptr->count == 0) delete ptr; } private: RefPtr *ptr; };
当希望每个TestPtr对象中的指针所指向的内容改变而不影响其它对象的指针所指向的内容时,可以在发生修改时,创建新的对象,并修改相应的引用计数。这种技术的一个实例就是写时拷贝(Copy-On-Write)。
这种方案的缺点是每个含有指针的类的实现代码中都要自己控制引用计数,比较繁琐。特别是当有多个这类指针时,维护引用计数比较困难。
方案二
为了避免上面方案中每个使用指针的类自己去控制引用计数,可以用一个类把指针封装起来。封装好后,这个类对象可以出现在用户类使用指针的任何地方,表现为一个指针的行为。我们可以像指针一样使用它,而不用担心普通成员指针所带来的问题,我们把这样的类叫句柄类。在封装句柄类时,需要申请一个动态分配的引用计数空间,指针与引用计数分开存储。实现示例如下:
#include <iostream> #include <stdexcept> using namespace std; #define TEST_SMARTPTR class Stub { public: void print() { cout<<"Stub: print"<<endl; } ~Stub(){ cout<<"Stub: Destructor"<<endl; } }; template <typename T> class SmartPtr { public: SmartPtr(T *p = 0): ptr(p), pUse(new size_t(1)) { } SmartPtr(const SmartPtr& src): ptr(src.ptr), pUse(src.pUse) { ++*pUse; } SmartPtr& operator= (const SmartPtr& rhs) { // self-assigning is also right ++*rhs.pUse; decrUse(); ptr = rhs.ptr; pUse = rhs.pUse; return *this; } T *operator->() { if (ptr) return ptr; throw std::runtime_error("access through NULL pointer"); } const T *operator->() const { if (ptr) return ptr; throw std::runtime_error("access through NULL pointer"); } T &operator*() { if (ptr) return *ptr; throw std::runtime_error("dereference of NULL pointer"); } const T &operator*() const { if (ptr) return *ptr; throw std::runtime_error("dereference of NULL pointer"); } ~SmartPtr() { decrUse(); #ifdef TEST_SMARTPTR std::cout<<"SmartPtr: Destructor"<<std::endl; // for testing #endif } private: void decrUse() { if (--*pUse == 0) { delete ptr; delete pUse; } } T *ptr; size_t *pUse; }; int main() { try { SmartPtr<Stub> t; t->print(); } catch (const exception& err) { cout<<err.what()<<endl; } SmartPtr<Stub> t1(new Stub); SmartPtr<Stub> t2(t1); SmartPtr<Stub> t3(new Stub); t3 = t2; t1->print(); (*t3).print(); return 0; }
===============================================================================================
超类
超类(SuperClass) :用java术语来讲,被继承的类称为超类(SuperClass),也有叫做父类,继承的类称为子类。面向对象编程的最重要的特色之一就是能够使用以前创建的类的方法和域。通过简单的类来创建功能强大的类,可以大幅地节省编程时间,更重要的是,这样做可以减少代码出错的机会。要在以前的类上构造新类,就必须在类声明中扩展这个类。
通过扩展一个超类,可以得到这个类的一个新副本,并且可以在其上添加其他功能。如果对这个新类并不做任何添加工作,那么,它的工作情况与超类完全相同,新类中会含有超类所声明和继承的、具有访问权限的所有方法和域。
对于超类,应该确切地理解this和super关键字的使用,下图演示了这两个关键字的使用。
超类、子类、基类之间的关系是什么?
2010-08-17 18:21friendsfriend | 分类:其他编程语言 | 浏览1025次具体题目是这样: 一下关于超类、子类、基类的叙述中,正确的是: A.子类是超类的特化 B.基类是超类的特化 C.基类是子类的特化 D.超类是基类的特化
D.超类是基类的特化 超类是有子类的基类
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