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C++之智能指针初步及弃用auto_ptr的原因分析

2023-03-23 14:13

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RAII

使用局部对象来管理资源的技术

RAII的原理

RAII的四个步骤

裸指针存在的问题

delete后的指针变量就变成了一个失效指针（也叫作悬空指针）。

对于下面的代码：

void Destroy(Object *op)
{
	delete op;
	delete[] op;
}

Object *op = new Object(10);
Object *arop = new Object[10];

Destroy(op);
Destroy(arop);

因此：

智能指针

智能指针的引入

智能指针是比原始指针更加智能的类，解决悬空指针多次删除被指向对象，以及资源泄漏问题，通常用来确保指针的寿命和其指向对象的寿命一致。

智能指针虽然很智能，很容易被误用，智能也是有代价的。

四种智能指针

auto_ptr
unqiue_ptr（唯一性智能指针）
shared_ptr（共享性智能指针）
weak_ptr（管理弱引用）

其中后三个是C11支持，并且第一个已经被C11弃用。

C98中的auto_ptr所做的事情，就是动态分配对象以及当对象不再需要时自动执行清理。

下面我们首先来了解一下为什么要将auto_ptr移除的原因：

因为该类型的智能指针意义不明确，使用浅拷贝方式时，两个对象拥有同一块资源：我们模仿源码的逻辑

了解一下：比如下面的代码：

class Object
{
    int value;
public:
    Object(int x = 0):value(x){cout<<"Create Object:"<<this<<endl;}
    ~Object(){cout<<"Destroy Object:"<<this<<endl;}

    int  & Value(){return value;}
    const int& Value() const{return value;}
};

template<class _Ty>
class my_auto_ptr
{
private:
    bool _Owns;//所有权
    _Ty* _Ptr;
public:
    my_auto_ptr(_Ty* p = NULL):_Owns(p != NULL),_Ptr(p){}
    ~my_auto_ptr()
    {
        if(_Owns)
        {
            delete _Ptr;
        }
        _Owns = false;
        _Ptr = NULL;
    }
    _Ty* get() const 
    {
        return _Ptr;
    }
    _Ty* operator->()const
    {
        return get();
    }
    _Ty & operator*()
    {
        return *get();
    }
    void reset(_Ty* p = NULL) 
    {
       if(_Owns)
       {
           delete _Ptr;
       }
       _Ptr = p;
    }
    _Ty * release()const//编译要通过，要么异变，要么强转成普通指针
    {
        _Ty* tmp = NULL;
        if(_Owns)
        {
            ((my_auto_ptr*)this)->_Owns = false;
            tmp = _Ptr;
            ((my_auto_ptr*)this)->_Ptr = NULL;
        }
        return tmp;
    }
    my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns)
    {
        if(_Owns)
        {
            _Ptr = op._Ptr;
        }
    }
};

void fun()
{
    my_auto_ptr<Object> pobj(new Object(10));//pobj是my_auto_ptr类型
    cout<<pobj->Value()<<endl;
    cout<<(*pobj).Value()<<endl;//(*pobj)是Object的堆区对象。*(pobj._Ptr).Value()
}
int main()
{
    my_auto_ptr<Object> pobja(new Object(10));
    my_auto_ptr<Object> pobjb(pobja);
}

相关函数解释：

此时程序必然会导致程序崩溃引发异常，主函数结束时对同一部分资源释放了两次，堆内存被释放两次

那么我们可能会考虑，将资源转移，即修改拷贝构造如下：利用是释放函数

my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns),_Ptr(op.release())
    {}

看似好像解决了上面的问题，实则存在隐患

继续来看：下面的代码存在什么问题呢？

void fun(my_auto_ptr<Object> apx)
{
    int x = apx->Value();
    cout<<x<<endl;
}

int main()
{
    my_auto_ptr<Object> pobja(new Object(10));
    
    fun(pobja);

    int a = pobja->Value();
    cout<<a<<endl;
}

上述代码的执行逻辑如下：

pobja有两个域拥有权域和指针域，拿pobja初始化形参apx时，会调动拷贝构造函数
apx将自己的拥有权域设为1，调动release函数，销毁了pobja对象的资源后，返回堆区对象的地址，apx接收后将自身的指针域指向原先pobja所指向的堆区对象
fun函数结束，apx局部对象就会被析构，此时再打印a，对象其实已经不存在了并且自身早已失去了pobja的拥有权。

综上，此时智能指针的拷贝构造函数的两种写法：

 my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns)
    {
        if(_Owns)
        {
            _Ptr = op._Ptr;
        }
    }
   
 my_auto_ptr(const my_auto_ptr & op):_Owns(op._Owns),_Ptr(op.release())
    {}

第一种存在的问题：Object的资源会被两个释放两次
第二种存在的问题：解决了第一种问题，但是不能解决类似于实参对象初始化形参时，实参之前自身的资源丢失的问题，找不着了,因为这种情况太过于隐蔽，容易出错，所以auto_ptr作为函数参数传递时一定要避免的。或许你想到加上引用解决上面的问题，但是仔细思考后发现，我们并不知道函数对传入的传入的auto_ptr做了什么，如果当中的某些操作使其失去了对对象的所有权，那么这还可能会导致致命的执行期错误。获取再加上const 才是个不错的选择。

因此，C11标准之前的auto_ptr这个智能指针不被广泛使用的原因就是：在某些应用场景下，拷贝构造函数的意义不明确，同理赋值语句也是这个道理，意义同样不明确，因为C11标准之前并不存在移动赋值和移动构造的概念，还有就是之前谈到的一个对象和一组对象的问题，对于自定义类型而言，auto_ptr的析构函数仅能够析构一个对象，不能够处理一组对象的情况，这些都是尚未解决的问题。

于是在C11中弃用，C17标准中直接移除。

历史渊源：

在STL库之前，有一个功能更加强大的boost库，STL为了与其抗衡，应急制造了STL，但制作的不够完善，由此因为STL未解决auto_ptr的问题，因此STl内的容器vector和list都不想和auto_ptr建立联系。