碼上快樂

相關內容    簡體    繁體

c++11新特性實戰（二）：智能指針

本文轉載自   查看原文   2021-02-04 16:50   375    Modern c++

c++11新特性實戰（二）：智能指針

c++11添加了新的智能指針，unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，同時也將auto_ptr置為廢棄(deprecated)。

但是在實際的使用過程中，很多人都會有這樣的問題：

  1. 不知道三種智能指針的具體使用場景

  2. 無腦只使用shared_ptr

  3. 認為應該禁用raw pointer(裸指針，即Widget*這種形式)，全部使用智能指針

初始化方法

    
class A
{
public:
    A(int size){ this->size = size; }
    A(){}
    void Show()
    {
        std::cout << "A::" << size << __FUNCTION__ << std::endl;
    }
private:
    int size = 5;
};
...
    //[1]
	auto p1 = std::make_shared<int>();
    auto p2 = std::make_shared<A>();
    //[2]
    std::shared_ptr<int> p3(new int(5));
    std::shared_ptr<A> p4(new A());
    //[3]
    std::shared_ptr<int> p5;
    p5.reset(new int(5));
    std::shared_ptr<A> p6;
    p6.reset(new A());

推薦使用第一種方法~

使用場景

  1. unique_ptr

    1. 忘記delete

      class Box{
public:
    Box() : w(new Widget())
    {}
    ~Box()
    {
        // 忘記delete w
    }
private:
    Widget* w;
};

    2. 異常安全

      void process()
{
    Widget* w = new Widget();
    w->do_something(); // 可能會發生異常
    delete w;
}

  2. shared_ptr

    1. shared_ptr通常使用在共享權不明的場景。有可能多個對象同時管理同一個內存時。
    2. 對象的延遲銷毀。陳碩在《Linux多線程服務器端編程》中提到，當一個對象的析構非常耗時，甚至影響到了關鍵線程的速度。可以使用BlockingQueue<std::shared_ptr<void>>將對象轉移到另外一個線程中釋放，從而解放關鍵線程。

  3. weak_ptr

    weak_ptr是為了解決shared_ptr雙向引用的問題。即：

    class B;
struct A{
    shared_ptr<B> b;
};
struct B{
    shared_ptr<A> a;
};
auto pa = make_shared<A>();
auto pb = make_shared<B>();
pa->b = pb;
pb->a = pa;

    pa和pb存在着循環引用，根據shared_ptr引用計數的原理，pa和pb都無法被正常的釋放。

    對於這種情況, 我們可以使用weak_ptr：

    class B;
struct A{
    shared_ptr<B> b;
};
struct B{
    weak_ptr<A> a;
};
auto pa = make_shared<A>();
auto pb = make_shared<B>();
pa->b = pb;
pb->a = pa;

    weak_ptr不會增加引用計數，因此可以打破shared_ptr的循環引用。

    通常做法是parent類持有child的shared_ptr, child持有指向parent的weak_ptr。這樣也更符合語義。

性能

  1. unique_ptr

    因為C++的zero cost abstraction的特點，unique_ptr在默認情況下和裸指針的大小是一樣的。

    所以內存上沒有任何的額外消耗，性能是最優的。

  2. shared_ptr

    1. 存占用高 shared_ptr的內存占用是裸指針的兩倍。因為除了要管理一個裸指針外，還要維護一個引用計數。 因此相比於unique_ptr, shared_ptr的內存占用更高
    2. 原子操作性能低 考慮到線程安全問題，引用計數的增減必須是原子操作。而原子操作一般情況下都比非原子操作慢。
    3. 使用移動優化性能 shared_ptr在性能上固然是低於unique_ptr。而通常情況，我們也可以盡量避免shared_ptr復制。 如果，一個shared_ptr需要將所有權共享給另外一個新的shared_ptr，而我們確定在之后的代碼中都不再使用這個shared_ptr，那么這是一個非常鮮明的移動語義。 對於此種場景，我們盡量使用std::move，將shared_ptr轉移給新的對象。因為移動不用增加引用計數，因此性能比復制更好。

對象所有權

首先需要理清楚的概念就是對象所有權的概念。所有權在rust語言中非常嚴格，寫rust的時候必須要清楚自己創建的每個對象的所有權。

但是C++比較自由，似乎我們不需要明白對象的所有權，寫的代碼也能正常運行。但是明白了對象所有權，我們才可以正確管理好對象生命周期和內存問題。

C++引入了智能指針，也是為了更好的描述對象所有權，簡化內存管理，從而大大減少我們C++內存管理方面的犯錯機會。

  1. unique_ptr

    我們大多數場景下用到的應該都是unique_ptr。

    unique_ptr代表的是專屬所有權，即由unique_ptr管理的內存，只能被一個對象持有。

    所以，unique_ptr不支持復制和賦值，如下：

    auto w = std::make_unique<Widget>();
auto w2 = w; // 編譯錯誤

    如果想要把w復制給w2, 是不可以的。因為復制從語義上來說，兩個對象將共享同一塊內存。

    因此，unique_ptr只支持移動, 即如下：

    auto w = std::make_unique<Widget>();
auto w2 = std::move(w); // w2獲得內存所有權，w此時等於nullptr

    unique_ptr代表的是專屬所有權，如果想要把一個unique_ptr的內存交給另外一個unique_ptr對象管理。只能使用std::move轉移當前對象的所有權。轉移之后，當前對象不再持有此內存，新的對象將獲得專屬所有權。

    如上代碼中，將w對象的所有權轉移給w2后，w此時等於nullptr，而w2獲得了專屬所有權。

  2. shared_ptr

    在使用shared_ptr之前應該考慮，是否真的需要使用shared_ptr, 而非unique_ptr。

    shared_ptr代表的是共享所有權，即多個shared_ptr可以共享同一塊內存。

    因此，從語義上來看，shared_ptr是支持復制的。如下：

    auto w = std::make_shared<Widget>();
{
    auto w2 = w;
    cout << w.use_count() << endl;  // 2
}  
cout << w.use_count() << endl;  // 1

    shared_ptr內部是利用引用計數來實現內存的自動管理，每當復制一個shared_ptr，引用計數會+1。當一個shared_ptr離開作用域時，引用計數會-1。當引用計數為0的時候，則delete內存。

    同時，shared_ptr也支持移動。從語義上來看，移動指的是所有權的傳遞。如下：

    auto w = std::make_shared<Widget>();
auto w2 = std::move(w); // 此時w等於nullptr，w2.use_count()等於1

    我們將w對象move給w2，意味着w放棄了對內存的所有權和管理，此時w對象等於nullptr。

    而w2獲得了對象所有權，但因為此時w已不再持有對象，因此w2的引用計數為1。

指針作為函數傳參

  1. 只在函數使用指針，但並不保存

    假如我們只需要在函數中，用這個對象處理一些事情，但不打算涉及其生命周期的管理，不打算通過函數傳參延長shared_ptr的生命周期。

    對於這種情況，可以使用raw pointer或者const shared_ptr &。

    即:

    void func(Widget*);
void func(const shared_ptr<Widget>&)

​ 實際上第一種裸指針的方式可能更好，從語義上更加清楚，函數也不用關心智能指針的類型。

  1. 在函數中保存智能指針

    假如我們需要在函數中把這個智能指針保存起來，這個時候建議直接傳值。void func(std::shared_ptr ptr);這樣的話，外部傳過來值的時候，可以選擇move或者賦值。函數內部直接把這個對象通過move的方式保存起來。 這樣性能更好，而且外部調用也有多種選擇。

為什么要用shared_from_this

我們往往會需要在類內部使用自身的shared_ptr，例如：

class A
{
public:
private:
    std::shared_ptr<widget> widget;
}

class Widget
{
public:
    void do_something(A& a)
    {
        a.widget = std::make_shared<Widget>(this);
    }
}

我們需要把當前shared_ptr對象同時交由對象a進行管理。意味着，當前對象的生命周期的結束不能早於對象a。因為對象a在析構之前還是有可能會使用到a.widget。

如果我們直接a.widget = this;， 那肯定不行， 因為這樣並沒有增加當前shared_ptr的引用計數。shared_ptr還是有可能早於對象a釋放。

如果我們使用a.widget = std::make_shared<Widget>(this);，肯定也不行，因為這個新創建的shared_ptr，跟當前對象的shared_ptr毫無關系。當前對象的shared_ptr生命周期結束后，依然會釋放掉當前內存，那么之后a.widget依然是不合法的。

對於這種，需要在對象內部獲取該對象自身的shared_ptr, 那么該類必須繼承std::enable_shared_from_this<T>。代碼如下:

class Widget : public std::enable_shared_from_this<Widget>
{
public:
    void do_something(A& a)
    {
        a.widget = shared_from_this();
    }    
}
  • 這樣才是合法的做法。

總結

  1. 重點理解三種智能指針的使用場景，

    • unique_ptr性能高，沒有特殊要求的話可以直接用來取代raw pointer(原始指針)。
    • shared_ptr開銷大，在前者不能滿足的場景例如需要多個智能指針同時擁有同一個控件的所有權的時候使用。
    • weak_ptr不單獨使用，通常用來配合shared_ptr使用，避免循環引用的問題。

  2. 優點：不用手動管理內存，尤其是根本不知道釋放時機的時候

  3. 缺點：

    • shared_ptr的內存占用高（多了一個引用計數），對多線程不友好（對引用計數的操作要原子性）

    • 寫起來麻煩


免責聲明！

本站轉載的文章為個人學習借鑒使用，本站對版權不負任何法律責任。如果侵犯了您的隱私權益，請聯系本站郵箱yoyou2525@163.com刪除。



猜您在找 [C++11新特性] 智能指針詳解 [C++11新特性] 智能指針詳解 【C++11新特性】 C++11智能指針之shared_ptr C++11特性-智能指針詳解 C++11 新特性之智能指針（shared_ptr, unique_ptr, weak_ptr) C++11能用智能指針 C++11智能指針 詳解C++11智能指針 C++11——共享智能指針 C++11——智能指針
 
粵ICP備18138465號   © 2018-2025 CODEPRJ.COM