第 5 章 智能指针与内存管理

5.1 RAII 与引用计数

了解 Objective-C/Swift 的程序员应该知道引用计数的概念。引用计数这种计数是为了防止内存泄露而产生的。 基本想法是对于动态分配的对象,进行引用计数,每当增加一次对同一个对象的引用,那么引用对象的引用计数就会增加一次, 每删除一次引用,引用计数就会减一,当一个对象的引用计数减为零时,就自动删除指向的堆内存。

在传统 C++ 中,『记得』手动释放资源,总不是最佳实践。因为我们很有可能就忘记了去释放资源而导致泄露。 所以通常的做法是对于一个对象而言,我们在构造函数的时候申请空间,而在析构函数(在离开作用域时调用)的时候释放空间, 也就是我们常说的 RAII 资源获取即初始化技术。

凡事都有例外,我们总会有需要将对象在自由存储上分配的需求,在传统 C++ 里我们只好使用 newdelete 去 『记得』对资源进行释放。而 C++11 引入了智能指针的概念,使用了引用计数的想法,让程序员不再需要关心手动释放内存。 这些智能指针就包括 std::shared_ptr/std::unique_ptr/std::weak_ptr,使用它们需要包含头文件 <memory>

注意:引用计数不是垃圾回收,引用计数能够尽快收回不再被使用的对象,同时在回收的过程中也不会造成长时间的等待, 更能够清晰明确的表明资源的生命周期。

5.2 std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种智能指针,它能够记录多少个 shared_ptr 共同指向一个对象,从而消除显示的调用 delete,当引用计数变为零的时候就会将对象自动删除。

但还不够,因为使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 来调用,这使得代码出现了某种程度上的不对称。

std::make_shared 就能够用来消除显式的使用 new,所以std::make_shared 会分配创建传入参数中的对象, 并返回这个对象类型的std::shared_ptr指针。例如:

#include <iostream>
#include <memory>
void foo(std::shared_ptr<int> i)
{
(*i)++;
}
int main()
{
// auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment
// Constructed a std::shared_ptr
auto pointer = std::make_shared<int>(10);
foo(pointer);
std::cout << *pointer << std::endl; // 11
// The shared_ptr will be destructed before leaving the scope
return 0;
}

std::shared_ptr 可以通过 get() 方法来获取原始指针,通过 reset() 来减少一个引用计数, 并通过use_count()来查看一个对象的引用计数。例如:

auto pointer = std::make_shared<int>(10);
auto pointer2 = pointer; // 引用计数+1
auto pointer3 = pointer; // 引用计数+1
int *p = pointer.get(); // 这样不会增加引用计数
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3

pointer2.reset();
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 reset
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2
pointer3.reset();
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset

5.3 std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占的智能指针,它禁止其他智能指针与其共享同一个对象,从而保证代码的安全:

std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10); // make_unique 从 C++14 引入
std::unique_ptr<int> pointer2 = pointer; // 非法

make_unique 并不复杂,C++11 没有提供 std::make_unique,可以自行实现:

> template<typename T, typename ...Args>
> std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) {
> return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) );
> }
>

至于为什么没有提供,C++ 标准委员会主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因为『被他们忘记了』。

既然是独占,换句话说就是不可复制。但是,我们可以利用 std::move 将其转移给其他的 unique_ptr,例如:

#include <iostream>
#include <memory>

struct Foo {
Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; }
~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }
void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; }
};

void f(const Foo &) {
std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;
}

int main() {
std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>());
// p1 不空, 输出
if (p1) p1->foo();
{
std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));
// p2 不空, 输出
f(*p2);
// p2 不空, 输出
if(p2) p2->foo();
// p1 为空, 无输出
if(p1) p1->foo();
p1 = std::move(p2);
// p2 为空, 无输出
if(p2) p2->foo();
std::cout << "p2 被销毁" << std::endl;
}
// p1 不空, 输出
if (p1) p1->foo();
// Foo 的实例会在离开作用域时被销毁
}

5.4 std::weak_ptr

如果你仔细思考 std::shared_ptr 就会发现依然存在着资源无法释放的问题。看下面这个例子:

struct A;
struct B;

struct A {
std::shared_ptr<B> pointer;
~A() {
std::cout << "A 被销毁" << std::end;
}
};
struct B {
std::shared_ptr<A> pointer;
~B() {
std::cout << "B 被销毁" << std::end;
}
};
int main() {
auto a = std::make_shared<A>();
auto b = std::make_shared<B>();
a->pointer = b;
b->pointer = a;
}

运行结果是 A, B 都不会被销毁,这是因为 a,b 内部的 pointer 同时又引用了 a,b,这使得 a,b 的引用计数均变为了 2,而离开作用域时,a,b 智能指针被析构,却只能造成这块区域的引用计数减一,这样就导致了 a,b 对象指向的内存区域引用计数不为零,而外部已经没有办法找到这块区域了,也就造成了内存泄露,如图 5.1:

图 5.1图 5.1

解决这个问题的办法就是使用弱引用指针 std::weak_ptrstd::weak_ptr是一种弱引用(相比较而言 std::shared_ptr 就是一种强引用)。弱引用不会引起引用计数增加,当换用弱引用时候,最终的释放流程如图 5.2 所示:

图 5.2图 5.2

在上图中,最后一步只剩下 B,而 B 并没有任何智能指针引用它,因此这块内存资源也会被释放。

std::weak_ptr 没有 * 运算符和 -> 运算符,所以不能够对资源进行操作,它的唯一作用就是用于检查 std::shared_ptr 是否存在,其 expired() 方法能在资源未被释放时,会返回 true,否则返回 false

总结

智能指针这种技术并不新奇,在很多语言中都是一种常见的技术,现代 C++ 将这项技术引进,在一定程度上消除了 new/delete 的滥用,是一种更加成熟的编程范式。

进一步阅读的参考资料

  1. stackoverflow 上关于『C++11为什么没有 make_unique』的讨论