C++ 智能指针使用不当导致内存泄漏问题解析
shared_ptr相互嵌套导致循环引用
代码示例
#include <iostream> #include <memory> using namespace std; class B; class A { public: std::shared_ptr<B> b_ptr; ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; } }; class B { public: std::shared_ptr<A> a_ptr; ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; } }; int main() { // 创建 shared_ptr 对象 auto a = std::make_shared<A>(); auto b = std::make_shared<B>(); // 相互引用 a->b_ptr = b; b->a_ptr = a; cout<<"use_count of a:"<<a.use_count()<<endl; cout<<"use_count of b:"<<b.use_count()<<endl; return 0; }
解释说明
- 创建了两个
std::shared_ptr
对象a
和b
。 a
持有b
的shared_ptr
,b
持有a
的shared_ptr
。- 当
main
函数结束时,a
和b
的引用计数不会减少到零,因此它们的析构函数不会被调用。 - 导致内存泄漏,因为对象
A
和B
的内存不会被释放。
解决方法
为了避免这种循环引用的问题,可以使用 std::weak_ptr
。std::weak_ptr
是一种弱智能指针,它不会增加对象的引用计数。它可以用来打破循环引用,从而防止内存泄漏。
#include <iostream> #include <memory> using namespace std; class B; // 先声明类 B,使得 A 和 B 可以互相引用。 class A { public: std::shared_ptr<B> b_ptr; // A 拥有 B 的强引用 ~A() { std::cout << "A destroyed\n"; } }; class B { public: std::weak_ptr<A> a_ptr; // B 拥有 A 的弱引用 ~B() { std::cout << "B destroyed\n"; } void safeAccess() { // 尝试锁定 a_ptr 获取 shared_ptr if (auto a_shared = a_ptr.lock()) { // 安全访问 a_shared 对象 std::cout << "Accessing A from B\n"; } else { std::cout << "A is already destroyed, cannot access A from B\n"; } } }; int main() { // 创建 shared_ptr 对象 auto a = std::make_shared<A>(); auto b = std::make_shared<B>(); // 互相引用 a->b_ptr = b; b->a_ptr = a; // 安全访问 b->safeAccess(); cout<<"use_count of a:"<<a.use_count()<<endl; cout<<"use_count of b:"<<b.use_count()<<endl; return 0; // 在这里,a 和 b 的引用计数将会正确地减少到零,并且它们将会被销毁。 }
shared_ptr的层次使用没有导致循环引用
shared_ptr<vector<shared_ptr<pair<string, shared_ptr<string>>>>> jsFiles;
这个声明表示 jsFiles
是一个 std::shared_ptr
,它指向一个 std::vector
,向量中的每个元素是一个 std::shared_ptr
,指向一个 std::pair
对象,而这个 std::pair
对象中包含一个 std::string
和一个 std::shared_ptr<std::string>
。它们之间只是层次结构,没有跨层次的相互引用 。也就是说没有内存泄漏的问题。证明如下:
#include <iostream> #include <vector> #include <memory> #include <string> using namespace std; // 自定义 String 类,模拟 std::string class MyString { public: std::string data; MyString(const std::string& str) : data(str) { std::cout << "MyString created: " << data << std::endl; } ~MyString() { std::cout << "MyString destroyed: " << data << std::endl; } // 添加输出操作符重载 friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const MyString& myStr) { os << myStr.data; return os; } }; // 自定义 Pair 类,模拟 std::pair template<typename K, typename V> class MyPair { public: K first; V second; MyPair(const K& key, const V& value) : first(key), second(value) { std::cout << "MyPair created: {" << first << ", " << *second << "}" << std::endl; } ~MyPair() { std::cout << "MyPair destroyed: {" << first << ", " << *second << "}" << std::endl; } }; int main() { // 创建 jsFiles,它是一个 shared_ptr,指向 vector auto jsFiles = std::make_shared<std::vector<std::shared_ptr<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>>>(); // 添加元素 auto innerPair1 = std::make_shared<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>("file1", std::make_shared<MyString>("content of file1")); auto innerPair2 = std::make_shared<MyPair<std::string, std::shared_ptr<MyString>>>("file2", std::make_shared<MyString>("content of file2")); jsFiles->push_back(innerPair1); jsFiles->push_back(innerPair2); // 访问元素 for (const auto& pairPtr : *jsFiles) { std::cout << "Filename: " << pairPtr->first << ", Content: " << *pairPtr->second << std::endl; } // 离开作用域时,智能指针会自动销毁它们管理的对象 return 0; }
同时也证明了一个结论,构造函数和析构函数的调用顺序是相反的。
回调函数中的循环引用问题
值捕获
#include <iostream> #include <memory> #include <functional> class MyClass { public: MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; } ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; } void setCallback(std::function<void()> cb) { callback_ = cb; } void executeCallback() { if (callback_) { callback_(); } } private: std::function<void()> callback_; }; void createNoLeak() { auto myObject = std::make_shared<MyClass>(); myObject->setCallback([=]() { std::cout << "Callback executed, myObject use count: " << myObject.use_count() << std::endl; }); myObject->executeCallback(); } int main() { createNoLeak(); std::cout << "End of program" << std::endl; return 0; }
可以看出myObject最后没有调用析构函数,是shared_ptr循环引用了。
引用捕获
如果换为引用捕获,则不会造成 shared_ptr循环引用。虽然这种方式不会增加引用计数,但需要特别注意捕获对象的生命周期,防止在 lambda 被调用时,对象已经被销毁,从而导致未定义行为。
如何解决
#include <iostream> #include <memory> #include <functional> class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> { public: MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; } ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; } void setCallback(std::function<void()> cb) { callback_ = cb; } void executeCallback() { if (callback_) { callback_(); } } private: std::function<void()> callback_; }; void createNoLeak() { auto myObject = std::make_shared<MyClass>(); std::weak_ptr<MyClass> weakPtr = myObject; myObject->setCallback([weakPtr]() { if (auto sharedPtr = weakPtr.lock()) { std::cout << "Callback executed, object is valid" << std::endl; } else { std::cout << "Object already destroyed" << std::endl; } }); myObject->executeCallback(); // 这里 myObject 是按 weak_ptr 捕获,当 createNoLeak() 结束时,myObject 的生命周期也就结束了,并且引用计数=0 } int main() { createNoLeak(); std::cout << "End of program" << std::endl; return 0; }
weakPtr.lock()
的使用:持有std::weak_ptr
,并且需要检查或者使用其管理的对象。如果对象仍然存在(即它的shared_ptr
引用计数大于零),我们希望获取一个shared_ptr
来安全地使用该对象。否则,weak_ptr.lock()
返回一个空的shared_ptr
。std::enable_shared_from_this
是一个非常有用的标准库模板类,用于解决一个特定的问题: 当一个类的成员函数需要创建一个指向自己(this
)的std::shared_ptr
时,这类问题如何安全地实现。std::enable_shared_from_this
背景问题
在使用 std::shared_ptr
管理对象时,有时会遇到需要在类的成员函数中获取该对象的 shared_ptr
的情况。例如,在一个类的成员函数中,如果想要得到一个指向该对象的 shared_ptr
,不能简单地使用 std::shared_ptr<MyClass>(this)
,因为这会创建一个新的 shared_ptr
,而不是增加现有的 shared_ptr
的引用计数。这可能导致对象被提前销毁或者多次销毁。
std::enable_shared_from_this 的作用
通过继承 std::enable_shared_from_this
,类就能够安全地使用 shared_from_this
方法,从而获取一个 shared_ptr
,该 shared_ptr
与其他 shared_ptr
共享所有权,而不会重复增加引用计数。
使用示例
#include <iostream> #include <memory> // 定义 MyClass 继承 std::enable_shared_from_this<MyClass> class MyClass : public std::enable_shared_from_this<MyClass> { public: MyClass() { std::cout << "MyClass created" << std::endl; } ~MyClass() { std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl; } // 一个成员函数,它需要返回一个指向自身的 shared_ptr std::shared_ptr<MyClass> getSharedPtr() { // 使用 shared_from_this 返回一个 shared_ptr return shared_from_this(); } void doSomething() { auto ptr = shared_from_this(); // 获取 shared_ptr std::cout << "Doing something with MyClass instance, ref count: " << ptr.use_count() << std::endl; } }; void exampleFunction() { // 创建 MyClass 对象的 shared_ptr auto myObject = std::make_shared<MyClass>(); // 调用成员函数获取 shared_ptr auto mySharedPtr = myObject->getSharedPtr(); std::cout << "Reference count after getSharedPtr: " << mySharedPtr.use_count() << std::endl; myObject->doSomething(); } int main() { exampleFunction(); return 0; }
注意
1.创建对象:
只有通过 std::shared_ptr
创建或管理的对象,才能安全地使用 shared_from_this
。
2. 保护避免使用 new
操作符:
直接使用 new
操作符创建的对象不能正确使用 shared_from_this
,这样做可能会导致未定义行为(例如崩溃)。
为什么 std::enable_shared_from_this 是必要的?
std::enable_shared_from_this
内部维护了一个弱引用(std::weak_ptr
)指向当前对象。这个弱引用确保不会增加引用计数,同时允许 shared_from_this
方法安全地获取 std::shared_ptr
,从而真正共享管理的对象,避免不安全的重复引用计数增加。
通过这样做,C++ STL 提供了一种方便而安全的方式来管理对象的生命周期,特别是在需要从对象内部生成 shared_ptr
的情境下。
总结
通过继承 std::enable_shared_from_this
,MyClass
能够安全地在其成员函数中创建返回指向自身的 std::shared_ptr
,避免不必要的重复引用计数,从而有效地管理和共享对象生命周期。这样既提升了代码的安全性,也使得对象生命周期管理变得更加简洁和直观。
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