c ++使用原始指针创建循环依赖对象

Question

我正在尝试创建一个连通图并对其执行某些计算。为此，我需要从该图中的每个节点访问其邻居，并从其邻居访问其邻居的邻居，依此类推。这不可避免地会产生许多（有用的）循环依赖。

下面是一个简化示例，其中包含 3 个相互连接的节点（例如三角形的 3 个顶点），我不确定这种方法是否是一种好方法，特别是如果清理留下任何内存泄漏：

#include <iostream>
#include <vector>

class A {
public:
    int id;
    std::vector<A*> partners;
 
    A(const int &i) : id(i) {
        std::cout << id << " created\n";
    }
    ~A() {
        std::cout << id << " destroyed\n";
    }
};

bool partnerUp(A *a1, A *a2) {
    if (!a1 || !a2)
        return false;

    a1->partners.push_back(a2);
    a2->partners.push_back(a1);

    std::cout << a1->id << " is now partnered with " << a2->id << "\n";

    return true;
}

int main() {
    std::vector<A*> vecA;
    vecA.push_back(new A(10));
    vecA.push_back(new A(20));
    vecA.push_back(new A(30));
 
    partnerUp(vecA[0], vecA[1]);
    partnerUp(vecA[0], vecA[2]);
    partnerUp(vecA[1], vecA[2]);

    for (auto& a : vecA) {
        delete a;
        a = nullptr;
    }
    vecA.clear();
 
    return 0;
}

我也知道我可以使用 shared_ptr + weak_ptr 来完成任务，但是智能指针会带来开销，我希望尽可能避免这种情况（我也讨厌使用 .lock( ）一直访问数据，但这并不重要）。我使用智能指针重写代码如下，我想知道两段代码之间有什么区别（两段代码的输出相同）。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

using namespace std;

class A {
public:
    int id;
    vector<weak_ptr<A>> partners;
 
    A(const int &i) : id(i) {
        cout << id << " created\n";
    }
    ~A() {
        cout << id << " destroyed\n";
    }
};

bool partnerUp(shared_ptr<A> a1, shared_ptr<A> a2) {
    if (!a1 || !a2)
        return false;

    a1->partners.push_back(a2);
    a2->partners.push_back(a1);

    cout << a1->id << " is now partnered with " << a2->id << "\n";

    return true;
}

int main() {
    vector<shared_ptr<A>> vecA;
    vecA.push_back(make_shared<A>(10));
    vecA.push_back(make_shared<A>(20));
    vecA.push_back(make_shared<A>(30));
 
    partnerUp(vecA[0], vecA[1]);
    partnerUp(vecA[0], vecA[2]);
    partnerUp(vecA[1], vecA[2]);

    return 0;
}

Answer 1

您可以通过使用所有权原则来防止内存泄漏：在每一点上，都需要一个负责释放内存的所有者。

在第一个示例中，所有者是 main 函数：它撤消所有分配。

在第二个示例中，每个图节点都有共享所有权。 vecA 和链接节点共享所有权。从某种意义上说，他们都有责任，如有必要，他们都可以免费拨打电话。

所以从这个意义上说，两个版本都有相对明确的所有权。第一个版本甚至使用了更简单的模型。但是：第一个版本在异常安全方面存在一些问题。这些在这个小程序中是不相关的，但是一旦将这段代码嵌入到更大的应用程序中，它们就会变得相关。

问题来自所有权转移：您通过new A 执行分配。这并没有明确说明所有者是谁。然后我们将它存储到向量中。但是向量本身不会在其元素上调用 delete；它只是调用析构函数（指针无操作）并删除自己的分配（动态数组/缓冲区）。 main 函数是所有者，它只在某个时刻释放分配，在循环结束时。如果 main 函数提前退出，例如由于异常，它将不会履行其作为分配所有者的职责 - 它不会释放内存。

这就是智能指针发挥作用的地方：它们清楚地说明所有者是谁，并使用 RAII 来防止异常问题：

class A {
public:
    int id;
    vector<A*> partners;
 
    // ...
};

bool partnerUp(A* a1, A* a2) {
    // ...
}

int main() {
    vector<unique_ptr<A>> vecA;
    vecA.push_back(make_unique<A>(10));
    vecA.push_back(make_unique<A>(20));
    vecA.push_back(make_unique<A>(30));
 
    partnerUp(vecA[0].get(), vecA[1].get());
    partnerUp(vecA[0].get(), vecA[2].get());
    partnerUp(vecA[1].get(), vecA[2].get());

    return 0;
}

该图仍然可以使用原始指针，因为所有权现在完全由 unique_ptr 负责，而这些指针归 vecA 所有，并且归 main 所有。 Main 退出，销毁 vecA，这会销毁它的每个元素，而这些元素会销毁图形节点。

不过，这仍然不理想，因为我们使用了一种不必要的间接方式。我们需要保持图节点的地址稳定，因为它们是从其他图节点指向的。因此我们不应该在 main 中使用vector<A>：如果我们通过push_back 调整它的大小，这会改变其元素的地址——图节点——但我们可能已经将这些地址存储为图关系。也就是说，我们可以使用vector，但前提是我们没有创建任何链接。

即使在创建链接之后，我们也可以使用deque。 deque 在 push_back 期间保持元素的地址稳定。

class A {
public:
    int id;
    vector<A*> partners;

    // ...

    A(A const&) = delete; // never change the address, since it's important!

    // ...
};

bool partnerUp(A* a1, A* a2) {
    // ...
}

int main() {
    std::deque<A> vecA;
    vecA.emplace_back(10);
    vecA.emplace_back(20);
    vecA.emplace_back(30);
 
    partnerUp(&vecA[0], &vecA[1]);
    partnerUp(&vecA[0], &vecA[2]);
    partnerUp(&vecA[1], &vecA[2]);
 
    return 0;
}

---

在图中删除的实际问题是当您在 main 中没有像 vector 这样的数据结构时：可以只保留指向一个或多个节点的指针，您可以从这些节点到达所有其他节点主要的。在这种情况下，您需要图遍历算法来删除所有节点。这就是它变得更复杂，因此更容易出错的地方。

就所有权而言，这里的图本身将拥有其节点的所有权，而 main 仅拥有图的所有权。

int main() {
    A* root = new A(10);
 
    partnerUp(root, new A(20));
    partnerUp(root, new A(30));
    partnerUp(root.partners[0], root.partners[1]);

    // now, how to delete all nodes?
 
    return 0;
}

---

为什么会推荐第二种方法？

因为它遵循一种广泛而简单的模式，可以降低内存泄漏的可能性。如果您总是使用智能指针，那么总会有一个所有者。放弃所有权的错误是不可能的。

但是，使用共享指针，您可以形成多个元素保持活动状态的循环，因为它们在一个循环中相互拥有。例如。 A 拥有 B，B 拥有 A。

因此，典型的经验法则建议是：

• 使用堆栈对象，或者如果不可能，使用unique_ptr，或者如果不可能，使用shared_ptr。
• 对于多个元素，请按顺序使用container<T>、container<unique_ptr<T>> 或container<shared_ptr<T>>。

这些是经验法则。如果您有时间考虑一下，或者有一些要求，例如性能或内存消耗，那么定义自定义所有权模型是有意义的。但是，您还需要花时间确保安全并对其进行测试。所以它应该真的给你一个很大的好处，值得付出所有努力来确保它的安全。我建议不要假设 shared_ptr 太慢。这需要在应用程序的上下文中查看，并且通常是衡量的。获得正确的自定义所有权概念太棘手了。例如，在我上面的一个示例中，您需要非常小心地调整矢量的大小。