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C++/スマートポインタ

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ムーブセマンティクス C++
スマートポインタ 		型推論

スマートポインタとは

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ポインタは C++ でメモリ管理を行う上で非常に重要な役割を果たしますが、その使い方を誤ると、メモリリークやダングリングポインタなどの深刻な問題を引き起こす可能性があります。このような問題を回避するために、スマートポインタが導入されました。

スマートポインタは、メモリ領域の自動的な割り当てと解放を行うクラステンプレートで、一般的なポインタよりも安全で便利です。効率的なメモリ管理を自動化することで、プログラマはリソース管理コードを書く手間が省け、コードの信頼性が向上します。

従来のリソース管理手法には、Reference Countingと Garbage Collection(GC)がありますが、スマートポインタはReference Countingの考え方を取り入れています。GCに比べてパフォーマンスコストが低く、決定論的な動作をするためです。

std::unique_ptr

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std::unique_ptrは、所有権ベースのメモリ管理を行うスマートポインタです。std::unique_ptrが指すオブジェクトは、あるインスタンスのみから所有され、アクセスできます。このため、std::unique_ptrはコピー構築や代入は許可されません。ムーブ操作のみが可能です。 

std::unique_ptr<int> p1 (new int(42)); // OK
std::unique_ptr<int> p2 = p1; // エラー!コピー不可
p1 = nullptr; // OK、所有権をリセット

std::unique_ptrの所有権はムーブセマンティクスで転送されるため、メモリ解放が自動的に行われ、ダブルデリートを防げます。make_uniqueヘルパ関数を使えば、より簡潔にstd::unique_ptrのインスタンスを作成できます。 

auto p1 = std::make_unique<int>(42); 
auto p2 = std::move(p1); // p2が所有権を受け取る

独自のデリータを登録することもできます。std::unique_ptrはアレイ版も用意されており、動的配列の管理に使えます。

std::shared_ptr

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std::shared_ptrは、参照カウント方式のメモリ管理を行います。複数のstd::shared_ptrインスタンスが同一オブジェクトを共有できます。最後のstd::shared_ptrインスタンスが破棄されると、そのオブジェクトのメモリが自動的に解放されます。 

std::shared_ptr<int> p1 (new int(42));
std::shared_ptr<int> p2 = p1; // p2も同じオブジェクトを指す
// 参照カウントは2になる

std::shared_ptr同士の代入は、参照カウントの増減のみが行われるため、効率的です。make_sharedヘルパ関数で、メモリ割り当てを1回で済ませることができます。

std::shared_ptrには循環参照の問題がつきまといます。相互に参照しあうstd::shared_ptrがある場合、メモリリークを生みます。std::weak_ptrを使うと、この問題を解決できます。std::weak_ptrはオブジェクトへの弱参照で、参照カウントには影響しません。lockメンバ関数で一時的なstd::shared_ptrを取得し、オブジェクトにアクセスできます。

std::shared_ptrでもカスタムデリータやカスタムアロケータを使用可能です。アロケータを変更すれば、特殊なメモリ領域の管理が行えます。

その他のスマートポインタ

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C++11で非推奨となったstd::auto_ptrは、所有権ベースとはいえ、いくつかの問題点があり、std::unique_ptrに置き換えられました。また、スコープガードは関数の終了時に自動的にリソースを解放するユーティリティとして有用です。 

void read(std::ifstream& is) {
   std::shared_ptr<FILE> file(&std::fclose, std::fopen("data.txt", "r"));
   if (!file) {
      throw Exception();
   }
   // ファイルを操作...
} // fileはこの時点で自動的に解放される

スマートポインタの応用例

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スマートポインタは動的メモリ管理を大幅に簡素化するため、STLコンテナと組み合わせて利用されることが多くあります。 

std::vector<std::shared_ptr<Shape>> shapes;
shapes.emplace_back(std::make_shared<Circle>());
shapes.emplace_back(std::make_shared<Rectangle>());

ここではstd::shared_ptrを使って図形のオブジェクトを動的に生成し、それらをstd::vectorに格納しています。コンテナが解放されるとき、各要素のデストラクタが自動的に実行され、リソースが解放されます。

また、スマートポインタ自身をカスタマイズすることも可能です。この例ではstd::shared_ptrをラップして、アロケーションを特殊なプールに制限するカスタムスマートポインタを定義しています。 

template <typename T>
using PoolPtr = std::shared_ptr<T>;

template <typename T, typename ...Args>
PoolPtr<T> make_pooled(Args&& ...args) {
    return PoolPtr<T>(PoolAllocator<T>().allocate(1),
                      [](T* obj) {
                          PoolAllocator<T>().deallocate(obj, 1);
                      },
                      std::forward<Args>(args)...);
}

スマートポインタのベストプラクティス

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スマートポインタは非常に強力な機能ですが、乱用すると望ましくないコードになる可能性があります。いくつかのベストプラクティスを紹介します。

所有権モデルの尊重
std::unique_ptrとstd::shared_ptrは、それぞれ所有権と共有所有権のモデルを表しています。どちらを使うべきかは、オブジェクトの生存期間管理における適切なオーナーシップモデルに従う必要があります。std::shared_ptrを無分別に使うべきではありません。
パフォーマンス
std::shared_ptrはスレッドセーフで便利ですが、リファレンスカウンティングに多少のオーバーヘッドがあります。パフォーマンスが重要な部分では、std::unique_ptrや生ポインタを使う方が賢明です。ただし、メモリ安全性を犠牲にしてはいけません。
循環参照の回避
std::shared_ptr同士が循環参照し合うと、メモリリークが発生します。この問題を回避するには、std::weak_ptrをうまく使う必要があります。可能であれば、std::shared_ptrの使用自体を最小限に抑えることが望ましいでしょう。
一時オブジェクトの活用
ヒープ割り当ての回数を減らすため、スマートポインタはスタック上の一時オブジェクトとしてよく使われます。make_uniqueやmake_sharedの活用で、よりシンプルなコードが書けます。
カスタムデリータの安全性
カスタムデリータを持つスマートポインタを使う際は、デリータ自身がリークしないよう細心の注意を払う必要があります。デリータの実装を単純にし、別のリソースに依存しないようにすべきです。
例外安全性の確保
スマートポインタは例外安全性を向上させますが、その使い方を誤ると、リソースリークや二重解放の恐れがあります。スマートポインタのコピーの避け方や、ムーブセマンティクスの活用など、適切な実装が重要です。

スマートポインタは強力な機能ですが、いくつかの落とし穴があります。これらのベストプラクティスを理解し、実践することで、スマートポインタの恩恵を最大限に享受できるはずです。

まとめ

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スマートポインタは、C++のメモリ管理を大幅に簡素化し、安全性とコード保守性を向上させる有力なツールです。本章では、std::unique_ptr、std::shared_ptr、std::weak_ptrの3つの主要なスマートポインタについて学びました。

  • std::unique_ptrは、所有権の概念に基づいたメモリ管理を行います。ムーブセマンティクスで所有権を安全に転送できます。
  • std::shared_ptrは、参照カウント方式でメモリ管理を行います。複数の所有者を許可し、最後の所有者が解放を行います。
  • std::weak_ptrは、std::shared_ptrへの弱参照で、循環参照の問題を解決します。

また、スマートポインタのカスタマイズ方法や、STLコンテナとの組み合わせ方、ベストプラクティスについても解説しました。

適切なスマートポインタを使い分け、その利点を最大限に活かすことで、よりシンプルで安全な、メモリリークのないコードを書くことができるはずです。C++を本当に理解するには、スマートポインタの力強い味方を持つことが不可欠です。


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