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C++ 智能指针的正确使用方式

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:

  1. 不知道三种智能指针的具体使用场景
  2. 无脑只使用 shared_ptr
  3. 认为应该禁用 raw pointer(裸指针,即 Widget * 这种形式),全部使用智能指针

本文将从这几方面讲解智能指针:

  1. 智能指针的应用场景分析
  2. 智能指针的性能分析: 为什么 shared_ptr 性能比 unique_ptr 差
  3. 指针作为函数参数时应该传,传值、传引用,还是裸指针?

对象所有权

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。

unique_ptr:专属所有权

** 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。

shared_ptr:共享所有权

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。

性能

  1. ** 内存占用高 **
    shared_ptr 的内存占用是裸指针的两倍。因为除了要管理一个裸指针外,还要维护一个引用计数。
    因此相比于 unique_ptr, shared_ptr 的内存占用更高

  2. ** 原子操作性能低 **
    考虑到线程安全问题,引用计数的增减必须是原子操作。而原子操作一般情况下都比非原子操作慢。

  3. ** 使用移动优化性能 **
    shared_ptr 在性能上固然是低于 unique_ptr。而通常情况,我们也可以尽量避免 shared_ptr 复制。
    如果,一个 shared_ptr 需要将所有权共享给另外一个新的 shared_ptr,而我们确定在之后的代码中都不再使用这个 shared_ptr,那么这是一个非常鲜明的移动语义。
    对于此种场景,我们尽量使用 std::move,将 shared_ptr 转移给新的对象。因为移动不用增加引用计数,因此性能比复制更好。

使用场景

  1. shared_ptr 通常使用在共享权不明的场景。有可能多个对象同时管理同一个内存时。
  2. 对象的延迟销毁。陈硕在《Linux 多线程服务器端编程》中提到,当一个对象的析构非常耗时,甚至影响到了关键线程的速度。可以使用 BlockingQueue<std::shared_ptr<void>> 将对象转移到另外一个线程中释放,从而解放关键线程。

为什么要用 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

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。

如何指针作为函数传参

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。

  1. ** 在函数中保存智能指针 **
    假如我们需要在函数中把这个智能指针保存起来,这个时候建议直接传值。
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。

总结

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。

参考

cyhone wechat