浅析Boost智能指针:scoped_ptr shared_ptr weak_ptr

时间:2022-04-21 05:33:19

一. scoped_ptr
boost::scoped_ptr和std::auto_ptr非常类似,是一个简单的智能指针,它能够保证在离开作用域后对象被自动释放。下列代码演示了该指针的基本应用:

复制代码 代码如下:


#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/scoped_ptr.hpp>

 

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};

void test()
{
    boost::scoped_ptr<implementation> impl(new implementation());
    impl->do_something();
}

void main()
{
    std::cout<<"Test Begin ... \n";
    test();
    std::cout<<"Test End.\n";
}


该代码的输出结果是:

复制代码 代码如下:

Test Begin ...
did something
destroying implementation
Test End.


可以看到:当implementation类离其开impl作用域的时候,会被自动删除,这样就会避免由于忘记手动调用delete而造成内存泄漏了。

 

boost::scoped_ptr特点:
boost::scoped_ptr的实现和std::auto_ptr非常类似,都是利用了一个栈上的对象去管理一个堆上的对象,从而使得堆上的对象随着栈上的对象销毁时自动删除。不同的是,boost::scoped_ptr有着更严格的使用限制——不能拷贝。这就意味着:boost::scoped_ptr指针是不能转换其所有权的。

1.不能转换所有权
boost::scoped_ptr所管理的对象生命周期仅仅局限于一个区间(该指针所在的"{}"之间),无法传到区间之外,这就意味着boost::scoped_ptr对象是不能作为函数的返回值的(std::auto_ptr可以)。

2.不能共享所有权
这点和std::auto_ptr类似。这个特点一方面使得该指针简单易用。另一方面也造成了功能的薄弱——不能用于stl的容器中。

3.不能用于管理数组对象
由于boost::scoped_ptr是通过delete来删除所管理对象的,而数组对象必须通过deletep[]来删除,因此boost::scoped_ptr是不能管理数组对象的,如果要管理数组对象需要使用boost::scoped_array类。

boost::scoped_ptr的常用操作:
可以简化为如下形式:

复制代码 代码如下:


namespace boost {

 

    template<typename T> class scoped_ptr : noncopyable {
    public:
        explicit scoped_ptr(T* p = 0);
        ~scoped_ptr();

        void reset(T* p = 0);

        T& operator*() const;
        T* operator->() const;
        T* get() const;

        void swap(scoped_ptr& b);
    };

    template<typename T>
    void swap(scoped_ptr<T> & a, scoped_ptr<T> & b);
}


它的常用操作如下:

成员函数

功能

operator*()

以引用的形式访问所管理的对象的成员

operator->()

以指针的形式访问所管理的对象的成员

get()

释放所管理的对象,管理另外一个对象

swap(scoped_ptr& b)

交换两个boost::scoped_ptr管理的对象



下列测试代码演示了这些功能函数的基本使用方法。

复制代码 代码如下:


#include <string>
#include <iostream>

 

#include <boost/scoped_ptr.hpp>
#include <boost/scoped_array.hpp>

#include <boost/config.hpp>
#include <boost/detail/lightweight_test.hpp>

void test()
{
    // test scoped_ptr with a built-in type
    long * lp = new long;
    boost::scoped_ptr<long> sp ( lp );
    BOOST_TEST( sp.get() == lp );
    BOOST_TEST( lp == sp.get() );
    BOOST_TEST( &*sp == lp );

    *sp = 1234568901L;
    BOOST_TEST( *sp == 1234568901L );
    BOOST_TEST( *lp == 1234568901L );

    long * lp2 = new long;
    boost::scoped_ptr<long> sp2 ( lp2 );

    sp.swap(sp2);
    BOOST_TEST( sp.get() == lp2 );
    BOOST_TEST( sp2.get() == lp );

    sp.reset(NULL);
    BOOST_TEST( sp.get() == NULL );

}

void main()
{
    test();
}


boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的选取:
boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的功能和操作都非常类似,如何在他们之间选取取决于是否需要转移所管理的对象的所有权(如是否需要作为函数的返回值)。如果没有这个需要的话,大可以使用boost::scoped_ptr,让编译器来进行更严格的检查,来发现一些不正确的赋值操作。

 

二. shared_ptr
boost::scoped_ptr虽然简单易用,但它不能共享所有权的特性却大大限制了其使用范围,而boost::shared_ptr可以解决这一局限。顾名思义,boost::shared_ptr是可以共享所有权的智能指针,首先让我们通过一个例子看看它的基本用法:

复制代码 代码如下:


#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>

 

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};

void test()
{
    boost::shared_ptr<implementation> sp1(new implementation());
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp1.use_count()<<" references\n";

    boost::shared_ptr<implementation> sp2 = sp1;
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";

    sp1.reset();
    std::cout<<"After Reset sp1. The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";

    sp2.reset();
    std::cout<<"After Reset sp2.\n";
}

void main()
{
    test();
}


该程序的输出结果如下:

复制代码 代码如下:

The Sample now has 1 references
The Sample now has 2 references
After Reset sp1. The Sample now has 1 references
destroying implementation
After Reset sp2.


可以看到,boost::shared_ptr指针sp1和sp2同时拥有了implementation对象的访问权限,且当sp1和sp2都释放对该对象的所有权时,其所管理的的对象的内存才被自动释放。在共享对象的访问权限同时,也实现了其内存的自动管理。

 

boost::shared_ptr的内存管理机制:
boost::shared_ptr的管理机制其实并不复杂,就是对所管理的对象进行了引用计数,当新增一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时,就将该对象的引用计数加一;减少一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时,就将该对象的引用计数减一,如果该对象的引用计数为0的时候,说明没有任何指针对其管理,才调用delete释放其所占的内存。

上面的那个例子可以的图示如下:

1.sp1对implementation对象进行管理,其引用计数为1

2.增加sp2对implementation对象进行管理,其引用计数增加为2

3.sp1释放对implementation对象进行管理,其引用计数变为1

4.sp2释放对implementation对象进行管理,其引用计数变为0,该对象被自动删除

boost::shared_ptr的特点:
和前面介绍的boost::scoped_ptr相比,boost::shared_ptr可以共享对象的所有权,因此其使用范围基本上没有什么限制(还是有一些需要遵循的使用规则,下文中介绍),自然也可以使用在stl的容器中。另外它还是线程安全的,这点在多线程程序中也非常重要。

boost::shared_ptr的使用规则:
boost::shared_ptr并不是绝对安全,下面几条规则能使我们更加安全的使用boost::shared_ptr:

1.避免对shared_ptr所管理的对象的直接内存管理操作,以免造成该对象的重释放
2.shared_ptr并不能对循环引用的对象内存自动管理(这点是其它各种引用计数管理内存方式的通病)。
3.不要构造一个临时的shared_ptr作为函数的参数。

如下列代码则可能导致内存泄漏:

复制代码 代码如下:

void test()
{
    foo(boost::shared_ptr<implementation>(new    implementation()),g());
}
正确的用法为:
void test()
{
    boost::shared_ptr<implementation> sp    (new implementation());
    foo(sp,g());
}


三.  weak_ptr

 

循环引用:
引用计数是一种便利的内存管理机制,但它有一个很大的缺点,那就是不能管理循环引用的对象。一个简单的例子如下:

复制代码 代码如下:


#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>

 

class parent;
class children;

typedef boost::shared_ptr<parent> parent_ptr;
typedef boost::shared_ptr<children> children_ptr;

class parent
{
public:
    ~parent() { std::cout <<"destroying parent\n"; }

public:
    children_ptr children;
};

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

public:
    parent_ptr parent;
};


void test()
{
    parent_ptr father(new parent());
    children_ptr son(new children);

    father->children = son;
    son->parent = father;
}

void main()
{
    std::cout<<"begin test...\n";
    test();
    std::cout<<"end test.\n";
}


运行该程序可以看到,即使退出了test函数后,由于parent和children对象互相引用,它们的引用计数都是1,不能自动释放,并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了c++中那臭名昭著的内存泄漏。

 

一般来讲,解除这种循环引用有下面有三种可行的方法:
1.当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。
2.当parent的生存期超过children的生存期的时候,children改为使用一个普通指针指向parent。
3.使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。

虽然这三种方法都可行,但方法1和方法2都需要程序员手动控制,麻烦且容易出错。这里主要介绍一下第三种方法和boost中的弱引用的智能指针boost::weak_ptr。

强引用和弱引用
一个强引用当被引用的对象活着的话,这个引用也存在(就是说,当至少有一个强引用,那么这个对象就不能被释放)。boost::share_ptr就是强引用。

相对而言,弱引用当引用的对象活着的时候不一定存在。仅仅是当它存在的时候的一个引用。弱引用并不修改该对象的引用计数,这意味这弱引用它并不对对象的内存进行管理,在功能上类似于普通指针,然而一个比较大的区别是,弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放,从而避免访问非法内存。

复制代码 代码如下:


boost::weak_ptr

 

boost::weak_ptr<T>是boost提供的一个弱引用的智能指针,它的声明可以简化如下:

namespace boost {

    template<typename T> class weak_ptr {
    public:
        template <typename Y>
        weak_ptr(const shared_ptr<Y>& r);

        weak_ptr(const weak_ptr& r);

        ~weak_ptr();

        T* get() const;
        bool expired() const;
        shared_ptr<T> lock() const;
    };
}


可以看到,boost::weak_ptr必须从一个boost::share_ptr或另一个boost::weak_ptr转换而来,这也说明,进行该对象的内存管理的是那个强引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。

 

boost::weak_ptr除了对所管理对象的基本访问功能(通过get()函数)外,还有两个常用的功能函数:expired()用于检测所管理的对象是否已经释放;lock()用于获取所管理的对象的强引用指针。

通过boost::weak_ptr来打破循环引用
由于弱引用不更改引用计数,类似普通指针,只要把循环引用的一方使用弱引用,即可解除循环引用。对于上面的那个例子来说,只要把children的定义改为如下方式,即可解除循环引用:

复制代码 代码如下:


class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

 

public:
    boost::weak_ptr<parent> parent;
};


最后值得一提的是,虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用,但这种方式必须在程序员能预见会出现循环引用的情况下才能使用,也可以是说这个仅仅是一种编译期的解决方案,如果程序在运行过程中出现了循环引用,还是会造成内存泄漏的。因此,不要认为只要使用了智能指针便能杜绝内存泄漏。毕竟,对于C++来说,由于没有垃圾回收机制,内存泄漏对每一个程序员来说都是一个非常头痛的问题。