C++11 中推出了三种智能指针,unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr,同时也将 auto_ptr 置为废弃(deprecated)。
但是在实际的使用过程中,很多人都会有这样的问题:
本文试图理清楚三种智能指针的具体使用场景,并讲解三种智能指针背后的性能消耗。
C/C++
首先需要理清楚的概念就是对象所有权的概念。所有权在 rust 语言中非常严格,写 rust 的时候必须要清楚自己创建的每个对象的所有权。
但是 C++比较自由,似乎我们不需要明白对象的所有权,写的代码也能正常运行。但是明白了对象所有权,我们才可以正确管理好对象生命周期和内存问题。
C++引入了智能指针,也是为了更好的描述对象所有权,简化内存管理,从而大大减少我们 C++内存管理方面的犯错机会。
我们大多数场景下用到的应该都是 unique_ptr。unique_ptr 代表的是专属所有权,即由 unique_ptr 管理的内存,只能被一个对象持有。所以,unique_ptr 不支持复制和赋值,如下:
auto w = std::make_unique<Widget>(); auto w2 = w; // 编译错误
如果想要把 w 复制给 w2, 是不可以的。因为复制从语义上来说,两个对象将共享同一块内存。
因此,unique_ptr 只支持移动, 即如下:
auto w = std::make_unique<Widget>(); auto w2 = std::move(w); // w2获得内存所有权,w此时等于nullptr
unique_ptr 代表的是专属所有权,如果想要把一个 unique_ptr 的内存交给另外一个 unique_ptr 对象管理。只能使用 std::move 转移当前对象的所有权。转移之后,当前对象不再持有此内存,新的对象将获得专属所有权。
如上代码中,将 w 对象的所有权转移给 w2 后,w 此时等于 nullptr,而 w2 获得了专属所有权。
性能
因为 C++的 zero cost abstraction 的特点,unique_ptr 在默认情况下和裸指针的大小是一样的。所以内存上没有任何的额外消耗,性能是最优的。
使用场景 1:忘记 delete
unique_ptr 一个最简单的使用场景是用于类属性。代码如下:
class Box{ public: Box() : w(new Widget()) {} ~Box() { // 忘记delete w } private: Widget* w; };
如果因为一些原因,w 必须建立在堆上。如果用裸指针管理 w,那么需要在析构函数中delete w; 这种写法虽然没什么问题,但是容易漏写 delete 语句,造成内存泄漏。
如果按照 unique_ptr 的写法,不用在析构函数手动 delete 属性,当对象析构时,属性w将会自动释放内存。
使用场景 2:异常安全
假如我们在一段代码中,需要创建一个对象,处理一些事情后返回,返回之前将对象销毁,如下所示:
void process() { Widget* w = new Widget(); w->do_something(); // 可能会发生异常 delete w; }
在正常流程下,我们会在函数末尾 delete 创建的对象 w,正常调用析构函数,释放内存。
但是如果 w->do_something()发生了异常,那么delete w将不会被执行。此时就会发生内存泄漏。我们当然可以使用 try...catch 捕捉异常,在 catch 里面执行 delete,但是这样代码上并不美观,也容易漏写。
如果我们用 std::unique_ptr,那么这个问题就迎刃而解了。无论代码怎么抛异常,在 unique_ptr 离开函数作用域的时候,内存就将会自动释放。
在使用 shared_ptr 之前应该考虑,是否真的需要使用 shared_ptr, 而非 unique_ptr。
shared_ptr 代表的是共享所有权,即多个 shared_ptr 可以共享同一块内存。因此,从语义上来看,shared_ptr 是支持复制的。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 内部是利用引用计数来实现内存的自动管理,每当复制一个 shared_ptr,引用计数会+1。当一个 shared_ptr 离开作用域时,引用计数会-1。当引用计数为 0 的时候,则 delete 内存。
同时,shared_ptr 也支持移动。从语义上来看,移动指的是所有权的传递。如下:
auto w = std::make_shared<Widget>(); auto w2 = std::move(w); // 此时w等于nullptr,w2.use_count()等于1
我们将 w 对象 move 给 w2,意味着 w 放弃了对内存的所有权和管理,此时 w 对象等于 nullptr。而 w2 获得了对象所有权,但因为此时 w 已不再持有对象,因此 w2 的引用计数为 1。
C/C++
性能
使用场景
shared_from_this
我们往往会需要在类内部使用自身的 shared_ptr,例如:
class Widget { public: void do_something(A& a) { a.widget = 该对象的shared_ptr; } }
我们需要把当前 shared_ptr 对象同时交由对象 a 进行管理。意味着,当前对象的生命周期的结束不能早于对象 a。因为对象 a 在析构之前还是有可能会使用到a.widget。
如果我们直接a.widget = this;, 那肯定不行, 因为这样并没有增加当前 shared_ptr 的引用计数。shared_ptr 还是有可能早于对象 a 释放。
如果我们使用a.widget = std::make_shared<Widget>(this);,肯定也不行,因为这个新创建的 shared_ptr,跟当前对象的 shared_ptr 毫无关系。当前对象的 shared_ptr 生命周期结束后,依然会释放掉当前内存,那么之后a.widget依然是不合法的。
对于这种,需要在对象内部获取该对象自身的 shared_ptr, 那么该类必须继承std::enable_shared_from_this<T>。代码如下:
class Widget : public std::enable_shared_from_this<Widget> { public: void do_something(A& a) { a.widget = shared_from_this(); } }
这样才是合法的做法。
weak_ptr 是为了解决 shared_ptr 双向引用的问题。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 存在着循环引用,根据 shared_ptr 引用计数的原理,pa 和 pb 都无法被正常的释放。对于这种情况, 我们可以使用 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 不会增加引用计数,因此可以打破 shared_ptr 的循环引用。通常做法是 parent 类持有 child 的 shared_ptr, child 持有指向 parent 的 weak_ptr。这样也更符合语义。
很多时候,函数的参数是个指针。这个时候就会面临选择困难症,这个参数应该怎么传,应该是 shared_ptr,还是 const shared_ptr&,还是直接 raw pointer 更合适。
1. 只在函数使用指针,但并不保存。假如我们只需要在函数中,用这个对象处理一些事情,但不打算涉及其生命周期的管理,不打算通过函数传参延长 shared_ptr 的生命周期。对于这种情况,可以使用 raw pointer 或者 const shared_ptr&。即:
void func(Widget*); void func(const shared_ptr<Widget>&)
实际上第一种裸指针的方式可能更好,从语义上更加清楚,函数也不用关心智能指针的类型。
void func(std::shared_ptr<Widget> ptr);
这样的话,外部传过来值的时候,可以选择 move 或者赋值。函数内部直接把这个对象通过 move 的方式保存起来。这样性能更好,而且外部调用也有多种选择。
对于智能指针的使用,实际上是对所有权和生命周期的思考,一旦想明白了这两点,那对智能指针的使用也就得心应手了。同时理解了每种智能指针背后的性能消耗、使用场景,那智能指针也不再是黑盒子和洪水猛兽。
C/C++
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