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智能指针(smart pointer)是存储指向动态分配(堆)对象指针的类,用于生存期控制,能够确保自动正确的销毁动态分配的对象,防止内存泄露。它的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联,引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时,初始化指针并将引用计数置为1;当对象作为另一对象的副本而创建时,拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数;对一个对象进行赋值时,赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数(如果引用计数为减至0,则删除对象),并增加右操作数所指对象的引用计数;调用析构函数时,构造函数减少引用计数(如果引用计数减至0,则删除基础对象)。 智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能,比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象(有限作用域实现)析构函数释放内存。当然,智能指针还不止这些,还包括复制时可以修改源对象等。智能指针根据需求不同,设计也不同(写时复制,赋值即释放对象拥有权限、引用计数等,控制权转移等)。auto_ptr 即是一种常见的智能指针。 定义:指向曾经存在的对象,但该对象已经不再存在了,此类指针称为垂悬指针。结果未定义,往往导致程序错误,而且难以检测。
避免方法:
引入智能指针可以防止垂悬指针出现。一般是把指针封装到一个称之为智能指针类中,这个类中另外还封装了一个使用计数器,对指针的复制等操作将导致该计数器的值加1,对指针的delete操作则会减1,值为0时,指针为NULL。
三、 哑指针
哑指针指传统的C/C++指针,它只是一个指向,除此以外它不会有其他任何动作,所有的细节必须程序员来处理,比如指针初始化,释放等等
四、野指针
定义:
“野指针”不是NULL指针,是指向“垃圾”内存(不可用内存)的指针。人们一般不会错用NULL指针,因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的,if无法判断一个指针是正常指针还是“野指针”。有个良好的编程习惯是避免“野指针”的唯一方法。
野指针的成因主要有三种:
一、指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针,它的缺省值是随机的,它会乱指一气。所以,指针变量在创建的同时应当被初始化,要么将指针设置为NULL,要么让它指向合法的内存。
二、指针p被free或者delete之后,没有置为NULL,让人误以为p是个合法的指针。别看free和delete的名字(尤其是delete),它们只是把指针所指的内存给释放掉,但并没有把指针本身干掉。通常会用语句if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾,此时if语句起不到防错作用,因为即便p不是NULL指针,它也不指向合法的内存块。
智能指针通常用类模板实现: - template <class T>
- class smartpointer
- {
- private:
- T *_ptr;
- public:
- smartpointer(T *p) : _ptr(p)
- {
- }
- T& operator *()
- {
- return *_ptr;
- }
- T* operator ->()
- {
- return _ptr;
- }
- ~smartpointer()
- {
- delete _ptr;
- }
- };
实现引用计数有两种经典策略,在这里将使用其中一种,这里所用的方法中,需要定义一个单独的具体类用以封装引用计数和相关指针: -
-
-
- class U_Ptr
- {
- friend class HasPtr;
- int *ip;
- size_t use;
- U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
- {
- cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
- }
- ~U_Ptr()
- {
- delete ip;
- cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
- }
- };
HasPtr类需要一个析构函数来删除指针。但是,析构函数不能无条件的删除指针。” 条件就是引用计数。 如果该对象被两个指针所指,那么删除其中一个指针,并不会调用该指针的析构函数,因为此时还有另外一个指针指向该对象。看来,智能指针主要是预防不当的析构行为,防止出现悬垂指针。
如上图所示,HasPtr就是智能指针,U_Ptr为计数器;里面有个变量use和指针ip,use记录了*ip对象被多少个HasPtr对象所指。假设现在又两个HasPtr对象p1、p2指向了U_Ptr,那么现在我delete p1,use变量将自减1, U_Ptr不会析构,那么U_Ptr指向的对象也不会析构,那么p2仍然指向了原来的对象,而不会变成一个悬空指针。当delete p2的时候,use变量将自减1,为0。此时,U_Ptr对象进行析构,那么U_Ptr指向的对象也进行析构,保证不会出现内存泄露。 包含指针的类需要特别注意复制控制,原因是复制指针时只复制指针中的地址,而不会复制指针指向的对象。 大多数C++类用三种方法之一管理指针成员 (1)不管指针成员。复制时只复制指针,不复制指针指向的对象。当其中一个指针把其指向的对象的空间释放后,其它指针都成了悬浮指针。这是一种极端 (2)当复制的时候,即复制指针,也复制指针指向的对象。这样可能造成空间的浪费。因为指针指向的对象的复制不一定是必要的。 (3) 第三种就是一种折中的方式。利用一个辅助类来管理指针的复制。原来的类中有一个指针指向辅助类,辅助类的数据成员是一个计数器和一个指针(指向原来的)(此为本次智能指针实现方式)。 其实,智能指针的引用计数类似于java的垃圾回收机制:java的垃圾的判定很简答,如果一个对象没有引用所指,那么该对象为垃圾。系统就可以回收了。 HasPtr 智能指针的声明如下,保存一个指向U_Ptr对象的指针,U_Ptr对象指向实际的int基础对象,代码如下: - #include<iostream>
- using namespace std;
-
-
-
-
- class U_Ptr
- {
- friend class HasPtr;
- int *ip;
- size_t use;
- U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)
- {
- cout << "U_ptr constructor called !" << endl;
- }
- ~U_Ptr()
- {
- delete ip;
- cout << "U_ptr distructor called !" << endl;
- }
- };
-
- class HasPtr
- {
- public:
-
- HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)
- {
- cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
- }
-
-
- HasPtr(const HasPtr& orig) : ptr(orig.ptr) , val(orig.val)
- {
- ++ptr->use;
- cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
- }
-
-
- HasPtr& operator=(const HasPtr&);
-
-
- ~HasPtr()
- {
- cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;
- if (--ptr->use == 0)
- delete ptr;
- }
-
-
- int *get_ptr() const
- {
- return ptr->ip;
- }
- int get_int() const
- {
- return val;
- }
-
-
- void set_ptr(int *p) const
- {
- ptr->ip = p;
- }
- void set_int(int i)
- {
- val = i;
- }
-
-
- int get_ptr_val() const
- {
- return *ptr->ip;
- }
- void set_ptr_val(int i)
- {
- *ptr->ip = i;
- }
- private:
- U_Ptr *ptr;
- int val;
- };
- HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &rhs)
- {
-
- ++rhs.ptr->use;
-
- if (--ptr->use == 0)
- delete ptr;
- ptr = rhs.ptr;
- val = rhs.val;
- return *this;
- }
-
- int main(void)
- {
- int *pi = new int(42);
- HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100);
- HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa);
- HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb);
- HasPtr hpd = *hpa;
-
- cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
- hpc->set_ptr_val(10000);
- cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
- hpd.set_ptr_val(10);
- cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;
- delete hpa;
- delete hpb;
- delete hpc;
- cout << hpd.get_ptr_val() << endl;
- return 0;
- }
这里的赋值操作符比较麻烦,且让我用图表分析一番: 假设现在又两个智能指针p1、 p2,一个指向内容为42的内存,一个指向内容为100的内存,如下图:
现在,我要做赋值操作,p2 = p1。对比着上面的 - HasPtr& operator=(const HasPtr&);
此时,rhs就是p1,首先将p1指向的ptr的use加1, 然后,做: - if (--ptr->use == 0)
- delete ptr;
因为,原先p2指向的对象现在p2不在指向,那么该对象就少了一个指针去指,所以,use做自减1; 此时,条件成立。因为u2的use为1。那么,运行U_Ptr的析构函数,而在U_Ptr的析构函数中,做了delete ip操作,所以释放了内存,不会有内存泄露的问题。 接下来的操作很自然,无需多言: - ptr = rhs.ptr;
- val = rhs.val;
- return *this;
做完赋值操作后,那么就成为如下图所示了。红色标注的就是变化的部分:
而还要注意的是,重载赋值操作符的时候,一定要注意的是,检查自我赋值的情况。 如图所示:
此时,做p1 = p1的操作。那么,首先u1.use自增1,为2;然后,u1.use自减1,为1。那么就不会执行delete操作,剩下的操作都可以顺利进行。按《C++ primer》说法,“这个赋值操作符在减少左操作数的使用计数之前使rhs的使用计数加1,从而防止自身赋值”。哎,反正我是那样理解的。当然,赋值操作符函数中一来就可以按常规那样: - if(this == &rhs)
- return *this;
运行结果如下图:
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