在 C++中,动态内存的管理是通过一对运算符来完成的:new,在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针,我们可以选择对对象进行初始化; delete,接受一个动态对象的指针,销毁该对象,并释放与之关联的内存。
动态内存的使用很容易出问题,因为确保在正确的时间释放内存是极其困难的。有时我们会忘记释放内存,在这种情况下就会产生内存泄漏;有时在尚有指针引用内存的情况下我们就释放了它,在这种情况下就会产生引用非法内存的指针。
为了更容易(同时也更安全)地使用动态内存,新的标准库提供了两种智能指针(smart pointer)类型来管理动态对象。
智能指针的行为类似常规指针,重要的区别是它负责自动释放所指向的对象。
新标准库提供的这两种智能指针的区别在于管理底层指针的方式:shared_ptr 允许多个指针指向同一个对象;
unique_ptr 则"独占"所指向的对象。
标准库还定义了一个名为 weak_ptr的伴随类,它是一种弱引用,指向shared_ptr所管理的对象。这三种类型都定义在 memory 头文件中。
share_ptr类
类似 vector,智能指针也是模板。因此,当我们创建一个智能指针时,必须提供额外的信息——指针可以指向的类型。与vector 一样,我们在尖括号内给出类型,之后是所定义的这种智能指针的名字:
shared_ptr<string> p1; // shared_ptr可以指向string
shared_ptr<list<int>> p2; // shared_ptr可以指向int的list
默认初始化的智能指针中保存着一个空指针(参见 2.3.2 节,第 48页)。在 12.1.3 节中(见第 412 页),我们将介绍初始化智能指针的其他方法。
智能指针的使用方式与普通指针类似。解引用一个智能指针返回它指向的对象。如果在一个条件判断中使用智能指针,效果就是检测它是否为空∶
// 如果p1不为空,检查它是否指向一个空的string
if (p1 && p1 -> empty())
*p1 = "hi"; // 如果p1指向一个空的string,解引用p1,将一个新值赋予string
表中列出了shared_ptr和unique_ptr支持的操作
shared_ptr和unique_ptr都支持的操作 | |
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shared_ptr < T > sp | 空智能指针,可以指向类型为T的对象 |
shared_ptr < T > up | |
p | 将p用作一个条件判断,若p指向一个对象,则为true |
*p | 解引用p,获得它指向的对象 |
p -> mem | 等价于(*p) .mem |
p.get() | 返回p中保存的指针 |
swap(p, q) | 交换p和q中的指针 |
p.swap(q) |
shared_ptr独有的操作 | |
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makeshared < T > (args) | 返回一个shared_ptr,指向一个动态分配的类型为T的对象。使用args初始化此对象 |
shared_ptr < T > p(q) | p是shared_ptr q 的拷贝;此操作会递增q中的计数器。q中的指针必须能转换为q |
p.unique() | 若p.use_count()为1,则返回true,否则false |
p.use_count() | 返回与p共享对象的智能指针的数量 |
p = q | p和q都是shared_ptr,所保存的指针必须能相互转换。此操作会递减p的引用计数,递增q的引用计数;若p的引用计数变为0,则将其管理的原内存释放。 |
make_share函数
最安全的分配和使用动态内存的方法是调用一个名为 make_shared 的标准库函数。此函数在动态内存中分配一个对象并初始化它,返回指向此对象的 shared_ptr。与智能指针一样,make_shared 也定义在头文件 memory 中。
当要用 make shared 时,必须指定想要创建的对象的类型。定义方式与模板类相同,在函数名之后跟一个尖括号,在其中给出类型:
// 指向一个值位42的int的shared_ptr
shared_ptr<int> p3 = make_share<int>(42);
// p4指向一个值位“999999999”的string
shared_ptr<int> p4 = make_share<string(10, '9');
// p5指向一个值初始化的int,即为0
shared_ptr<int> p5 = make_share<int>();
类似顺序容器的emplace成员,make_shared用其参数来构造给定类型的对象。
例如,调用 make_shared < string > 时传递的参数必须与 string的某个构造函数相匹配,调用 make_shared < int >时传递的参数必须能用来初始化一个 int,依此类推。
如果我们不传递任何参数,对象就会进行值初始化。
当然,我们通常用 auto定义一个对象来保存make_shared的结果,这种方式较为简单:
// p6 指向一个动态分配的空 vector<string>
auto p6 = make_shared<vector<int>>();
shared_ptr的拷贝和赋值
当进行拷贝或赋值操作时,每个 shared ptr都会记录有多少个其他 shared ptr指向相同的对象:
auto p = make_shared<int>(42); // p指向的对象只有p一个引用者
auto q(p); // p和q指向相同的对象,此对象有两个引用者
我们可以认为每个 shared_ptr都有一个关联的计数器,通常称其为引用计数(reference count)。
无论何时我们拷贝一个 shared_ptr,计数器都会递增。
例如,当用一个 shared_ptr 初始化另一个 shared_ptr,或将它作为参数传递给一个函数以及作为函数的返回值时,它所关联的计数器就会递增。
当我们给 shared_ptr赋予一个新值或是 shared_ptr被销毁(例如一个局部的 shared_ptr离开其作用域)时,计数器就会递减。一旦一个shared_ptr 的计数器变为0,它就会自动释放自己所管理的对象:
auto r = make_shared<int>(42); // r指向的int只有一个引用者
r = q;// 给r赋值,令它指向另一个地址
// 递增q指向的对象的引用计数
// 递减r原来指向的对象的引用计数
// r原来来指向的对象已没有引用者,会自动释放