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一、为什么需要智能指针#xff1f;
二. 内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏#xff0c;内存泄漏的危害
2.2 内存泄漏分类
1.堆内存泄漏(Heap leak)
2.系统资源泄漏
2.3如何避免内存泄漏
三.智能指针的使用及原理
3.1 RAII
3.2 智能指针的原理
3.3 std::auto_ptr
…目录
一、为什么需要智能指针
二. 内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏内存泄漏的危害
2.2 内存泄漏分类
1.堆内存泄漏(Heap leak)
2.系统资源泄漏
2.3如何避免内存泄漏
三.智能指针的使用及原理
3.1 RAII
3.2 智能指针的原理
3.3 std::auto_ptr
3.4 std::unique_ptr
3.5 std::shared_ptr 一、为什么需要智能指针
下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么内存方面的问题
#include vector
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{if (left right) return;int mid left ((right - left) 1);// [left, mid]// [mid1, right]_MergeSort(a, left, mid, tmp);_MergeSort(a, mid 1, right, tmp);int begin1 left, end1 mid;int begin2 mid 1, end2 right;int index left;while (begin1 end1 begin2 end2){if (a[begin1] a[begin2])tmp[index] a[begin1];elsetmp[index] a[begin2];}while (begin1 end1)tmp[index] a[begin1];while (begin2 end2)tmp[index] a[begin2];memcpy(a left, tmp left, sizeof(int) * (right - left 1));
}
void MergeSort(int* a, int n)
{int* tmp (int*)malloc(sizeof(int) * n);_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);// 这里假设处理了一些其他逻辑vectorint v(1000000000, 10);// ...// free(tmp);
}
int main()
{int a[5] { 4, 5, 2, 3, 1 };MergeSort(a, 5);return 0;
}
问题分析上面的问题分析出来我们发现有以下两个问题 1. malloc出来的空间没有进行释放存在内存泄漏的问题。 2. 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安全。 二. 内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏内存泄漏的危害
什么是内存泄漏内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失而是应用程序分配某段内存后因为设计错误失去了对该段内存的控制因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害长期运行的程序出现内存泄漏影响很大如操作系统、后台服务等等出现内存泄漏会导致响应越来越慢最终卡死。
void MemoryLeaks()
{// 1.内存申请了忘记释放int* p1 (int*)malloc(sizeof(int));int* p2 new int;// 2.异常安全问题int* p3 new int[10];Func(); // 这里Func函数抛异常导致 delete[] p3未执行p3没被释放.delete[] p3;
}
2.2 内存泄漏分类
C/C程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏
1.堆内存泄漏(Heap leak) 堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放那么以后这部分空间将无法再被使用就会产生Heap Leak。 2.系统资源泄漏 指程序使用系统分配的资源比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉导致系统资源的浪费严重可导致系统效能减少系统执行不稳定。 2.3如何避免内存泄漏 1. 工程前期良好的设计规范养成良好的编码规范申请的内存空间记着匹配的去释放。ps这个理想状态。但是如果碰上异常时就算注意释放了还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。 2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。 3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。 4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps不过很多工具都不够靠谱或者收费昂贵。 总结一下:
内存泄漏非常常见解决方案分为两种
1、事前预防型。如智能指针等。
2、事后查错型。如泄漏检测工具。
三.智能指针的使用及原理
3.1 RAII
RAIIResource Acquisition Is Initialization是一种利用对象生命周期来控制程序资源如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等的简单技术。
在对象构造时获取资源接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效最后在对象析构的时候释放资源。借此我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处 1.不需要显式地释放资源。 2.采用这种方式对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。 // 使用RAII思想设计的SmartPtr类
templateclass T
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if (_ptr)delete _ptr;}
private:T* _ptr;
};
void MergeSort(int* a, int n)
{int* tmp (int*)malloc(sizeof(int) * n);// 讲tmp指针委托给了sp对象用时老师的话说给tmp指针找了一个可怕的女朋友天天管着你直到你go die^^SmartPtrint sp(tmp);// _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);// 这里假设处理了一些其他逻辑vectorint v(1000000000, 10);// ...
}
int main()
{try {int a[5] { 4, 5, 2, 3, 1 };MergeSort(a, 5);}catch (const exception e){cout e.what() endl;}return 0;
}
3.2 智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用也可以通过-去访问所指空间中的内容因此AutoPtr模板类中还得需要将* 、-重载下才可让其像指针一样去使用。
templateclass T
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if (_ptr)delete _ptr;}T operator*() { return *_ptr; }T* operator-() { return _ptr; }
private:T* _ptr;
};
struct Date
{int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{SmartPtrint sp1(new int);*sp1 10cout *sp1 endl;SmartPtrint sparray(new Date);// 需要注意的是这里应该是sparray.operator-()-_year 2018;// 本来应该是sparray--_year这里语法上为了可读性省略了一个-sparray-_year 2018;sparray-_month 1;sparray-_day 1;
}
3.3 std::auto_ptr
auto_ptr - C Reference (cplusplus.com)
C98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。
// C库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include memory
class Date
{
public:Date() { cout Date() endl; }~Date() { cout ~Date() endl; }int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{auto_ptrDate ap(new Date);auto_ptrDate copy(ap);// auto_ptr的问题当对象拷贝或者赋值后前面的对象就悬空了// C98中设计的auto_ptr问题是非常明显的所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptrap-_year 2018;return 0;
}
auto_ptr的实现原理管理权转移的思想下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理
// 模拟实现一份简答的AutoPtr,了解原理
templateclass T
class AutoPtr
{
public:AutoPtr(T* ptr NULL): _ptr(ptr){}~AutoPtr(){if (_ptr)delete _ptr;}// 一旦发生拷贝就将ap中资源转移到当前对象中然后另ap与其所管理资源断开联系// 这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题AutoPtr(AutoPtrT ap): _ptr(ap._ptr){ap._ptr NULL;}AutoPtrT operator(AutoPtrT ap){// 检测是否为自己给自己赋值if (this ! ap){// 释放当前对象中资源if (_ptr)delete _ptr;// 转移ap中资源到当前对象中_ptr ap._ptr;ap._ptr NULL;}return *this;}T operator*() { return *_ptr; }T* operator-() { return _ptr; }
private:T* _ptr;
};
int main()
{AutoPtrDate ap(new Date);// 现在再从实现原理层来分析会发现这里拷贝后把ap对象的指针赋空了导致ap对象悬空// 通过ap对象访问资源时就会出现问题。AutoPtrDate copy(ap);ap-_year 2018;return 0;
}
3.4 std::unique_ptr
C11中开始提供更靠谱的unique_ptr
unique_ptr - C Reference (cplusplus.com)
int main()
{unique_ptrDate up(new Date);// unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝也就是不让拷贝和赋值。unique_ptrDate copy(ap);return 0;
}
unique_ptr的实现原理简单粗暴的防拷贝下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理
// 模拟实现一份简答的UniquePtr,了解原理
templateclass T
class UniquePtr
{
public:UniquePtr(T* ptr nullptr): _ptr(ptr){}~UniquePtr(){if (_ptr)delete _ptr;}T operator*() { return *_ptr; }T* operator-() { return _ptr; }
private:// C98防拷贝的方式只声明不实现声明成私有UniquePtr(UniquePtrT const);UniquePtr operator(UniquePtrT const);// C11防拷贝的方式deleteUniquePtr(UniquePtrT const) delete;UniquePtr operator(UniquePtrT const) delete;
private:T* _ptr;
};
3.5 std::shared_ptr
C11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
shared_ptr - C Reference (cplusplus.com)
int main()
{// shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝shared_ptrDate sp(new Date);shared_ptrDate copy(sp);cout ref count: sp.use_count() endl;cout ref count: copy.use_count() endl;return 0;
}
shared_ptr的原理是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。
例如比特老师晚上在下班之前都会通知让最后走的学生记得把门锁下。 1. shared_ptr在其内部给每个资源都维护了着一份计数用来记录该份资源被几个对象共享。 2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)就说明自己不使用该资源了对象的引用计数减一。 3. 如果引用计数是0就说明自己是最后一个使用该资源的对象必须释放该资源 4. 如果不是0就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源不能释放该资源否则其他对象就成野指针了。 // 模拟实现一份简答的SharedPtr,了解原理
#include thread
#include mutex
template class T
class SharedPtr
{
public:SharedPtr(T* ptr nullptr): _ptr(ptr), _pRefCount(new int(1)), _pMutex(new mutex){}~SharedPtr() { Release(); }SharedPtr(const SharedPtrT sp): _ptr(sp._ptr), _pRefCount(sp._pRefCount), _pMutex(sp._pMutex){AddRefCount();}// sp1 sp2SharedPtrT operator(const SharedPtrT sp){//if (this ! sp)if (_ptr ! sp._ptr){// 释放管理的旧资源Release();// 共享管理新对象的资源并增加引用计数_ptr sp._ptr;_pRefCount sp._pRefCount;_pMutex sp._pMutex;AddRefCount();}return *this;}T operator*() { return *_ptr; }T* operator-() { return _ptr; }int UseCount() { return *_pRefCount; }T* Get() { return _ptr; }void AddRefCount(){// 加锁或者使用加1的原子操作_pMutex-lock();(*_pRefCount);_pMutex-unlock();}
private:void Release(){bool deleteflag false;// 引用计数减1如果减到0则释放资源_pMutex.lock();if (--(*_pRefCount) 0){delete _ptr;delete _pRefCount;deleteflag true;}_pMutex.unlock();if (deleteflag true)delete _pMutex;}
private:int* _pRefCount; // 引用计数T* _ptr; // 指向管理资源的指针mutex* _pMutex; // 互斥锁
};
int main()
{SharedPtrint sp1(new int(10));SharedPtrint sp2(sp1);*sp2 20;cout sp1.UseCount() endl;cout sp2.UseCount() endl;SharedPtrint sp3(new int(10));sp2 sp3;cout sp1.UseCount() endl;cout sp2.UseCount() endl;cout sp3.UseCount() endl;sp1 sp3;cout sp1.UseCount() endl;cout sp2.UseCount() endl;cout sp3.UseCount() endl;return 0;
}
