【C++】std::make_shared函数的详解与示例

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前言

在C++中，智能指针是一种非常重要的资源管理技术，用于自动管理动态分配的内存，以防止内存泄漏。std::shared_ptr是C++标准库中的一个智能指针类型，它通过使用引用计数来确保当最后一个shared_ptr被销毁或重置时，它所指向的对象也会被自动删除。而std::make_shared则是C++11引入的一个模板函数，用于更高效地创建std::shared_ptr实例。本文将详细解析std::make_shared函数的原理，并提供相关示例。

原理特点

单一内存分配

与直接使用new操作符创建对象并通过构造函数传递给std::shared_ptr相比，std::make_shared的最大优势在于它可以在一次内存分配中同时创建对象和控制块（control block）。控制块是std::shared_ptr内部用于管理引用计数、删除器和指向对象的指针的数据结构。通过使用单一分配，std::make_shared可以减少内存碎片，提高内存使用效率，并减少内存分配的开销。

引用计数

std::shared_ptr通过维护一个引用计数来跟踪有多少个shared_ptr实例指向同一个对象。每当一个新的shared_ptr指向该对象时，引用计数增加；每当一个shared_ptr被销毁或重置时，引用计数减少。当引用计数减少到0时，shared_ptr会自动调用其关联的删除器（默认为delete）来销毁对象并释放内存。

线程安全

std::shared_ptr的引用计数操作是线程安全的，这意味着多个线程可以同时操作同一个shared_ptr对象而不会导致数据竞争。然而，对shared_ptr所指向的对象的访问仍然需要适当的同步机制，如使用std::mutex。

示例

代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <thread>
#include <mutex>

// 定义一个包含std::vector<int>的类
class ComplexObject {
public:
    // 成员函数：向vector中添加元素
    void addElement(int value) {
        // 使用std::lock_guard来保证线程安全
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        elements_.push_back(value);
    }

    // 成员函数：显示vector中的所有元素
    void displayElements() const {
        // 同样使用std::lock_guard来保证在显示时不会修改vector
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        for (int value : elements_) {
            std::cout << value << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

private:
    std::vector<int> elements_; // 成员变量：存储整数的vector
    mutable std::mutex mutex_;  // 成员变量：用于保护elements_的互斥锁，注意是mutable的，因为它在const成员函数中被修改
};

// 一个简单的线程函数，用于向ComplexObject的vector中添加元素
void threadFunction(std::shared_ptr<ComplexObject> obj, int value) {
    obj->addElement(value);
}

int main() {
    // 使用std::make_shared创建ComplexObject的实例
    auto sharedObj = std::make_shared<ComplexObject>();

    // 创建并启动两个线程，每个线程都向sharedObj的vector中添加一个元素
    std::thread t1(threadFunction, sharedObj, 10);
    std::thread t2(threadFunction, sharedObj, 20);

    // 等待两个线程完成
    t1.join();
    t2.join();

    // 显示vector中的所有元素
    sharedObj->displayElements(); // 输出可能是10 20，但顺序可能不同，因为线程是并发执行的

    // 当sharedObj离开作用域时，它指向的ComplexObject实例会被自动删除
    // 由于所有对sharedObj的引用都已消失（包括在t1和t2中的那些，它们已经join()），
    // 所以引用计数会减到0，ComplexObject的析构函数会被调用

    return 0;
}

运行结果

代码详解

std::make_shared：

用于创建std::shared_ptr的实例，并自动管理其指向的对象的生命周期。
在一次内存分配中同时创建对象和控制块，减少内存碎片和分配开销。

std::shared_ptr：

智能指针，通过引用计数来管理动态分配的内存。
当最后一个std::shared_ptr被销毁或重置时，它所指向的对象也会被自动删除。

std::thread：

用于表示一个执行线程的对象。
可以通过传递函数和参数给线程构造函数来启动一个新线程。

std::mutex 和 std::lock_guard：

std::mutex是一个互斥锁，用于保护共享数据免受多个线程的并发访问。
std::lock_guard是一个RAII（Resource Acquisition Is Initialization）风格的锁管理类，它在构造时自动加锁，在析构时自动解锁，从而简化锁的管理。

线程安全：

在多线程程序中，对共享数据的访问必须是线程安全的。
在本例中，我们使用std::mutex和std::lock_guard来保护ComplexObject中的elements_成员，以防止在并发修改时发生数据竞争。

mutable关键字：

允许在const成员函数中修改成员变量。

在本例中，mutex_被声明为mutable，因为它在const成员函数displayElements中被修改（即加锁和解锁）。注意，这并不意味着elements_本身在const成员函数中被修改；mutex_的修改是

总结

std::make_shared是C++11提供的一种高效、安全的智能指针工厂函数。通过在一次内存分配中同时创建对象和控制块，std::make_shared可以减少内存分配的开销，提高内存使用效率。同时，std::shared_ptr的引用计数机制确保了当最后一个shared_ptr被销毁时，所指向的对象也会被自动删除，从而有效防止内存泄漏。然而，需要注意的是，虽然std::shared_ptr的引用计数操作是线程安全的，但对所指向对象的访问仍然需要适当的同步机制。

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_22734027/article/details/140820942
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