auto_ptr, unique_ptr, shared_ptr and weak_ptr

kiki
Jan 1, 0001 blog

auto_ptr

  • C++11 已经弃用。unique_ptr是新的具有相似功能的智能指针，但是安全性更高。
  • auto_ptr是管理对象的指针，通过new的操作创建，当auto_ptr销毁的时候会删除该对象。
  • 一个用auto_ptr存储了一个指针指向一个被分配的对象，确保当代码运行到指针的范围之外时，指针指向的对象会自动销毁。
  • auto_ptr基于独有的所有权模型(exclusive ownership model)，也就是说，两个相同类型的指针不能同时指向同一个资源。复制或者赋值给指针会改变所有权，即源指针会把所有权移交给目的指针。

  • 下面的代码可以看出复制指针的时候所有权的转移

    // C++ program to illustrate the use of auto_ptr
#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class A
{
public:
    void show() { cout << "A::show()" << endl; }
};

int main()
{
    // p1 is an auto_ptr of type A
    auto_ptr<A> p1(new A);
    p1->show();

    // returns the memory address of p1
    cout << p1.get() << endl;

    // copy constructor called, this makes p1 empty.
    auto_ptr <A> p2(p1);
    p2->show();

    // p1 is empty now
    cout << p1.get() << endl;

    // p1 gets copied in p2
    cout<< p2.get() << endl;

    return 0;
}

  • 输出结果如下

    A::show()
0x1b42c20
A::show()
0           // NULL
0x1b42c20

  • auto_ptr的拷贝构造函数和赋值运算符实际上不会拷贝存储的指针，而是转移指针，从而使得源指针为空。auto_ptr实现了严格的所有权管理，使得同一时刻只有一个auto_ptr对象可以拥有该指针。

  • 丢弃auto_ptr的原因：auto_ptr的赋值运算转移所有权，并且重置右值的auto_ptr为空指针。因此，auto_ptr不能用于 STL 容器。

unique_ptr

  • unique_ptr是 C++11 开发用于替换std::auto_ptr的。
  • unique_ptr具有更好的安全性(没有“虚假”的拷贝赋值)，增加了特性(删除器)，支持数组。它是一个保存原始指针的容器。unique_ptr显式地避免持有的指针拷贝赋值，它只允许指针有一个持有者。所以对于一个资源，至多只有一个unique_ptr指向，当unique_ptr销毁时，资源会自动释放。

  • 对unique_ptr拷贝赋值会导致编译错误。比如下面的代码：

    unique_ptr<A> ptr1 (new A);
unique_ptr<A> ptr2 = ptr1; // Error: can't copy unique_ptr

  • 可以使用std::move()语法转移持有指针的所有权给另外一个unique_ptr。unique_ptr<A> ptr2 = move(ptr1);

  • 下面的代码阐述了unique_ptr的使用

    #include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class A
{
public:
    void show() { cout << "A::show()" << endl; }
};

int main()
{
    unique_ptr<A> p1(new A);
    p1->show();

    // returns the memory address of p1
    cout << p1.get() << endl;

    // transfers ownership to p2
    unique_ptr<A> p2 = move(p1);
    p2->show();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.get() << endl;

    // transfers ownership to p3
    unique_ptr<A> p3 = move (p2);
    p3->show();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.get() << endl;
    cout << p3.get() << endl;

    return 0;
}

    • 输出结果如下：

      A::show()
0x1c4ac20
A::show()
0          // NULL
0x1c4ac20
A::show()
0          // NULL
0          // NULL
0x1c4ac20

  • 下面的代码返回一个资源，如果我们不显式的接收返回值，资源会被清理。反之，我们会得到对该资源的唯一所有权。因此，可以认为unique_ptr比auto_ptr更安全。

    unique_ptr<A> fun()
{
    unique_ptr<A> ptr(new A);
    // do something
    return ptr;
}

shared_ptr

  • shared_ptr是一个保存原始指针的容器。它是引用计数所有权模型(reference counting ownership model)。shared_ptr维护了持有指针的引用计数以及所有对shared_ptr的拷贝。因此，当一个新的指针指向资源的时候计数增加，当指针析构的时候计数减少。
  • 引用计数(reference counting)：是一种存储对于一个资源(比如对象，内存块，磁盘空间或者其他资源)的引用、指针或者句柄的数目的技术。
  • 当代码执行到指向资源的所有shared_ptr的范围之外，资源才会销毁释放。

  • 下面的代码阐述了shared_ptr的使用

    #include<iostream>
#include<memory>
using namespace std;  
class A
{
public:
    void show() { cout << "A::show()" << endl; }
};

int main()
{
    shared_ptr<A> p1(new A);
    cout << p1.get() << endl;
    p1->show();
    shared_ptr<A> p2(p1);
    p2->show();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.get() << endl;

    // Returns the number of shared_ptr objects referring to the same managed object.
    cout << p1.use_count() << endl;
    cout << p2.use_count() << endl;

    // Relinquishes ownership of p1 on the object and pointer becomes NULL
    p1.reset();
    cout << p1.get() << endl;
    cout << p2.use_count() << endl;
    cout << p2.get() << endl;

    return 0;
}

    • 输出结果如下：

      0x1c41c20
A::show()
A::show()
0x1c41c20
0x1c41c20
2
2
0          // NULL
1
0x1c41c20

weak_ptr

  • weak_ptr是shared_ptr的拷贝。它可以访问被一个或多个shared_ptr实例持有的对象，但是不参与引用计数。weak_ptr的存在或销毁对shared_ptr及其拷贝没有影响。weak_ptr对于打破shared_ptr实例之间的循环引用必不可少。
  • 相互依赖(Cyclic Dependency,shared_ptr存在的问题)：考虑一个场景，类 A 和类 B，二者都有指针指向另外一个类。因此，如果有两个shared_ptr的指针ptr_A和ptr_B分别指向 A 和 B的某个对象，总是ptr_A持有 B 的对象而且ptr_B持有 A 的对象。A 和 B 的对象引用计数一直不会变成 0，A 和 B 的对象都不会被删除。
  • 现在把ptr_A换成weak_ptr，ptr_A可以访问 B 的对象但是不会持有该对象。B 对象的引用计数就是 0，可以先释放，之后 A 对象的引用计数变成 0 就可以释放内存。
  • 使用ptr_A之前需要检查 B 对象的有效性，因为 B 对象可能销毁。
  • 什么时候需要用weak_ptr？当希望从不同的地方访问对象，且不关心这些引用的删除。但是尝试间接引用该对象的时候需要注意检查对象的有效性。

reference

c++

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