スマートポインタ#
スマートポインタは、ポインタのメモリ管理を自動化するための仕組みです。
先ほどのプログラムであれば、まだシンプルなので、どのコードが発端でエラーになっているかがわかりますが、実際のプログラムでは、どのコードが発端でエラーになっているかがわかりにくくなります。
さらに厄介なのは、動的メモリというのは確保する量が可変するため、「たまにエラーになる」という再現に困るエラーが出現する可能性があるのです、
スマートポインタは「所有権」を割り当てて動的メモリを管理することで、このような問題を解決します。
スマートポインタはC++11から導入された機能で、memoryヘッダに含まれています。
std::unique_ptr#
std::unique_ptrは、ポインタの所有権を割り当てるためのスマートポインタです。
"unique"という名前の通り、所有権は一つだけです。
#include <cstdio>
#include <memory>
int main() {
std::unique_ptr<int> p(new int(42));
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p);
return 0;
}
スマートポインタにdeleteは要りません。勝手に解放してくれます。
2.1のプログラムをスマートポインタのunique_ptrを使って書き直すと以下のようになります。
#include <cstdio>
#include <memory>
void func(std::unique_ptr<int> p) {
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p);
// 3を代入
*p = 3;
// ここで解放される
}
int main() {
std::unique_ptr<int> p(new int(42));
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p);
func(std::move(p));
// ここで解放される
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p); // ここでエラー
return 0;
}
unique_ptrは、所有権を共有することはできず、std::moveを使って所有権を移動する必要があります。
std::moveによって移動した後は、移動元の所有権がなくなり、アクセスができなくなります。
移動先でしか使用できないため、これまでのメモリ管理の中では安全と言えるでしょう。
実行結果#
所有権が移動してしまい、func()の終了時点で解放されてしまうため、main()の中でpを使おうとするとエラーになります。
@0x557f4929deb0: 42
@0x557f4929deb0: 42
Segmentation fault (core dumped)
std::shared_ptr#
std::shared_ptrは、ポインタの所有権を共有するためのスマートポインタです。
"shared"という名前の通り、所有権は複数の所有を認めています。
#include <cstdio>
#include <memory>
void func(std::shared_ptr<int> p) {
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p);
// 3を代入
*p = 3;
// ここで解放される
}
int main() {
std::shared_ptr<int> p(new int(42));
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p);
func(p);
// ここで解放される
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p); // OK!
return 0;
}
実行結果#
func()の終了時点で解放されることはなく、main()の中でpを使うことができます。
ただし、pの所有権を共有しているため、pの所有権を持つ変数がなくなるまで、解放されません。
@0x562742cdceb0: 42
@0x562742cdceb0: 42
@0x562742cdceb0: 3
これまでの生ポインタと同じような挙動になります。
shard_ptrは内部で所有者数をカウントアップ・ダウンしており、0になった時点で解放されます。
p.reset()を使うと、所有権を明示的に解放することができます。
#include <cstdio>
#include <memory>
void func(std::shared_ptr<int> p) {
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p);
// 3を代入
*p = 3;
}
int main() {
std::shared_ptr<int> p(new int(42));
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p);
func(p);
// 明示的に解放する
p.reset();
printf("@%p: %d\n", p.get(), *p); // ここでエラー
return 0;
}
weak_ptr#
std::weak_ptrは、所有権を持たないスマートポインタです。
先ほどの「shared_ptrは所有権を共有するため、所有権を持つ変数がなくなるまで解放されない」という特徴が悪さをして、循環参照が発生してしまうことがあります。
循環参照とは、オブジェクトAがオブジェクトBを参照し、オブジェクトBがオブジェクトAを参照し続けることで、オブジェクトAとオブジェクトBが解放されなくなることです。
これはメモリリークにつながります。
まずは正常終了する例から。片方だけだとすぐに終了してくれます。
#include <cstdio>
#include <memory>
class ClassA
{
public:
std::shared_ptr<ClassA> ptr;
ClassA(){ printf("Start\n"); }
~ClassA() { printf("End\n"); }
};
int main()
{
{
std::shared_ptr<ClassA> ptr1 = std::make_shared<ClassA>();
std::shared_ptr<ClassA> ptr2 = std::make_shared<ClassA>();
ptr1->ptr = ptr2;
// ptr2->ptr = ptr1;
}
getchar();
return 0;
}
実行結果#
Start
Start
End
End
次は、先ほどのptr2->ptr = ptr1;のコメントアウトを外して実行してみます。
...
int main()
{
{
std::shared_ptr<ClassA> ptr1 = std::make_shared<ClassA>();
std::shared_ptr<ClassA> ptr2 = std::make_shared<ClassA>();
ptr1->ptr = ptr2;
ptr2->ptr = ptr1;
}
getchar();
return 0;
}
実行結果#
Start
Start
このようにいつまでもリソースを解放することはありません。
ループがなければこれでも問題ないのですが、ループがあると永遠にメモリを消費し続けます。
解決策#
std::weak_ptrを使うことで、循環参照を防ぐことができます。
#include <cstdio>
#include <memory>
class ClassA
{
public:
std::weak_ptr<ClassA> ptr;
ClassA(){ printf("Start\n"); }
~ClassA() { printf("End\n"); }
};
int main()
{
{
std::shared_ptr<ClassA> ptr1 = std::make_shared<ClassA>();
std::shared_ptr<ClassA> ptr2 = std::make_shared<ClassA>();
ptr1->ptr = ptr2;
ptr2->ptr = ptr1;
}
getchar();
return 0;
}
実行結果#
インスタンスが互いに所有することはないので、循環参照は防げました。
ただし、所有権がないため、ptr.lock()を使って所有権を取得する必要があります。
Start
Start
End
End
参考URL#
https://programming.pc-note.net/cpp/smartpointer3.html