title: 智能指针
date: 2018-04-02 15:21:32
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- C/C++
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- 指针
为什么使用动态指针？
在C++中，动态内存的管理是通过一对运算符来完成的：
- new: 在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针，同时可以对这个对象初始化。
- delete: 接受一个动态对象的指针，销毁该对象并释放与之关联的内存。
这样动态内存的使用就很容易出现问题：
- 忘记释放内存（delete）就会产生内存泄漏的问题。
- 过早释放内存（在还有指针引用该内存的时候就释放了它）就会产生引用非法内存的指针。
为了防止出现这种情况，更容易更安全地使用动态内存， 自C++11开始提供了两种智能指针类型来管理动态对象。
什么是智能指针？
智能指针是存储指向动态分配（堆）对象指针的类。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象。
智能指针的原理是什么？
资源分配即初始化RAII（Resource Acquisition Is Initialization）：RAII 的做法是使用一个对象，在其构造时获取资源，在对象生命期控制对资源的访问使之始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。
定义一个类来封装资源的分配和释放，在构造函数完成资源的分配
和初始化，在析构函数完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放。
在类中采用引用计数的方法。在智能指针的内部有一个计数器，记录了当前内存资源到底有多少指针在引用，当新增加一个这个资源的引用时，计数器就会+1，否则-1，当计数器的值变为0时，这个智能指针就会自动释放它管理的 这个资源。
常见的智能指针？
C++11提供的两个智能指针为shared_ptr和unique_ptr，还定义了一个伴随类weak_ptr，这三个类都定义在memory头文件中。以及C++98引入的使用起来到处是坑的auto_ptr。
shared_ptr（官方文档）
shared_ptr允许多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。
每多一个指针指向它，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。
shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存。
unique_ptr
unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。
相比于原始指针，unique_ptr用其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。
unique_ptr指针本身的生命周期：
- 从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。
- 离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。
unique_ptr指针与其所指对象的关系：
在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。
weak_ptr
weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。
weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。
使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。
weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象，从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。
循环引用问题
首先看下面的代码理解什么是循环引用：
class B;
class A
{
public:
shared_ptr<B> m_b;
};
class B
{
public:
shared_ptr<A> m_a;
};
void test()
{
shared_ptr<A> a(new A); //new出来的A的引用计数此时为1
shared_ptr<B> b(new B); //new出来的B的引用计数此时为1
a->m_b = b; //B的引用计数增加为2
b->m_a = a; //A的引用计数增加为2
//b先出作用域，B的引用计数减少为1，不为0，所以堆上的B空间没有被释放
//a后出作用域，同理A的引用计数减少为1，不为0，所以堆上A的空间也没有被释放
}
因为weak_ptr的构造和析构不会引起引用计数的增加或减少，所以可以用weak_ptr解决这个问题（weak_ptr必须与shared_ptr配合使用,不能单独使用）：
class B;
class A
{
public:
weak_ptr<B> m_b;
};
class B
{
public:
weak_ptr<A> m_a;
};
void test()
{
shared_ptr<A> a(new A);
shared_ptr<B> b(new B);
a->m_b = b;
b->m_a = a;
}
auto_ptr
缺陷：（参考链接，来源：知乎，作者：Sen Zhang）
auto_ptr采用可以采用copy语义来转移指针资源的所有权的同时将原指针置为NULL，这跟通常理解的copy行为是不一致的，而这样的行为要有些场合下不是我们希望看到的。
例如参考《Effective STL》第8条，sort的快排实现中有将元素复制到某个局部临时对象中，但对于auto_ptr，却将原元素置为null，这就导致最后的排序结果中可能有大量的null。
而现在C++11的对move语义的支持，使得这样的资源转移通常只会在必要的场合发生，例如转移一个临时变量（右值）给某个named variable（左值）
这也就是用unique_ptr代替auto_ptr的原因，
本质上来说，就是unique_ptr禁用了copy，而用move替代。
std::unique_ptr<bar> b0(new bar());
std::unique_ptr<bar> b1(std::move(b0));
智能指针的实现
template <typename T>
class SmartPointer {
public:
//构造函数
SmartPointer(T* p=0): _ptr(p), _reference_count(new size_t){
if(p)
*_reference_count = 1;
else
*_reference_count = 0;
}
//拷贝构造函数
SmartPointer(const SmartPointer& src) {
if(this!=&src) {
_ptr = src._ptr;
_reference_count = src._reference_count;
(*_reference_count)++;
}
}
//重载赋值操作符
SmartPointer& operator=(const SmartPointer& src) {
if(_ptr==src._ptr) {
return *this;
}
releaseCount();
_ptr = src._ptr;
_reference_count = src._reference_count;
(*_reference_count)++;
return *this;
}
//重载操作符
T& operator*() {
if(ptr) {
return *_ptr;
}
//throw exception
}
//重载操作符
T* operator->() {
if(_ptr) {
return _ptr;
}
//throw exception
}
//析构函数
~SmartPointer() {
if (--(*_reference_count) == 0) {
delete _ptr;
delete _reference_count;
}
}
private:
T *_ptr;
size_t *_reference_count;
void releaseCount() {
if(_ptr) {
(*_reference_count)--;
if((*_reference_count)==0) {
delete _ptr;
delete _reference_count;
}
}
}
};
int main()
{
SmartPointer<char> cp1(new char('a'));
SmartPointer<char> cp2(cp1);
SmartPointer<char> cp3;
cp3 = cp2;
cp3 = cp1;
cp3 = cp3;
SmartPointer<char> cp4(new char('b'));
cp3 = cp4;
}