【C++学习】智能指针

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《C++学习》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

🥮智能指针

🍢为什么需要智能指针

如上图代码所示，在Func中开辟动态空间，在调用完Division函数后释放该空间。

• 如果Division没有抛异常，那么动态空间会被正常释放。
• 如果Division抛了异常，就会去匹配对应的catch，而Func中没有catch来捕获异常，所以执行流就直接跳到了main函数中，Func的栈帧被销毁。
• 此时Func中开辟的动态空间还没有释放，就会导致内存泄漏。

• 可以在Func中捕获Division的异常，在捕获到以后将动态空间释放，然后再将异常重新抛出，让mian中再次捕获并进行具体的处理。
• 如果Division没有抛异常，就会执行叉掉的那个delete来释放动态空间。

使用上诉办法就可以避免内存泄漏了。

此时又在堆区上开辟了一个数组。如果是Division抛出的异常，只需要在捕获该异常的时候将p1和p2都释放。

• 但是new也有可能抛异常，此时就需要再捕获new的异常，进行相应的处理。

如上图所示，这样虽然能解决办法，但是代码看起来很不美观，可读性非常差劲，而且逻辑比较复杂。

🍢RAII

• RAII：是英文Resource Acquisition Is Initialization(请求即初始化)的首字母，是一种利用对象生命周期来控制程序资源的简单技术。
• 这些资源可以是内存，文件句柄，网络连接，互斥量等等。

创建一个类模板SmartPtr(智能指针)，如上图代码所示。

• 成员变量只有一个，是一个指针变量，通过构造函数进行初始化。
• 在析构函数中释放成员指针变量指向的资源。
• 重载指针常用的操作符，使该类可以像指针一样操作。

在Func中，使用两个new以后返回的指针初始化智能指针，分别为sp1和sp2。由于运算符重载，智能指针可以像内置指针一样操作，进行解引用，下标访问等。

• 当指向Divsion抛出异常后，Func的栈帧也会被销毁，执行流跳转到main中去匹配catch。

• 在Func栈帧销毁的时候，智能指针对象sp1和sp2的生命周期也会结束，会自动调用析构函数。
  *而我们在析构函数中对new出来的资源进行了释放，所以此时就不存在内存泄漏的问题。

所谓RAII，就是将资源的生命周期和对象的生命周期绑定。从构造函数开始，到析构函数结束。

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智能指针就是使用了RAII技术，并且利用对象生命周期结束时，编译器会自动调用对象的析构函数来释放资源。

• 智能指针的智能就在于资源会被自动释放，不需要显式地释放资源。
• 采用智能指针，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。

智能指针包括两大部分：

• RAII(将资源绑定在智能指针对象上)
• 具有像指针一样的行为(重载操作符)

🥮auto_ptr

将前面的智能指针该名为auto_ptr，仿真wxf命名空间中。

使用编译器自动生成的拷贝构造函数。

上面代码在运行时会报错。

• 智能指针ap2拷贝复制了ap1，此时ap1和ap2都指向同一块动态内存空间。
• 当程序执行结束以后，ap1对象和ap2对象都会销毁，并且会执行各自的析构函数，所以那份动态空间就会被释放两次，所以报错了。

所以需要自己显式定义一个拷贝构造函数，不能让两个智能指针指向同一份动态内存空间。

• 让原本的智能指针置空，不再管理这份动态内存，只让新拷贝出来的智能指针来管理。

C++98就提供了这样一个智能指针，同样在拷贝的时候，原本指针会被置空，在使用库里的智能指针时，要包头文件< memory >。

上图代码中使用的是std中的auto_ptr，通过调试窗口可以看到，执行完拷贝后，ap2指向了原本ap1管理的动态内存空间，而ap1被置空了。

• auto_ptr会发生管理权的转移，在拷贝构造后，管理权从ap1转移到了ap2.
• 而且原本的ap1会被悬空，就不能再使用了。

对于不清除auto_ptr这个特点的人来说，拷贝后再次使用ap1就会出问题。

• auto_ptr是一个失败的设计，很多公司明确要求不能使用auto_ptr。

🥮unique_ptr

在C++11中提供了更加靠谱的unique_ptr智能指针：

• unique_ptr直接禁止使用拷贝构造函数，即使编译器也不能生成默认的拷贝构造函数，因为使用了delete关键字。

unique_ptr采用的策略就是，既然拷贝有问题，那么就禁止拷贝，这确实解决了悬空等问题，使得unique_ptr是一个独一无二的智能指针。

继续在wxf命名空间中写一个unique_ptr智能指针的类模板。同样包括RAII和像指针一样的操作符重载，和之前的auto_ptr一样。

• 但是要禁止使用拷贝构造函数，使用delete禁止编译器自动生成。

此时unique_ptr就不能被拷贝了，一个智能指针对应一份动态内存空间。

可以看到，在拷贝unique_ptr的时候，直接报错"尝试引用已删除的函数"，因为拷贝构造使用了delete禁止了拷贝构造。

• 标准库中的unique_ptr在拷贝构造时同样也会报错"尝试引用已删除函数"。

可以看到，在标准库中，unique_ptr同样不可以进行赋值，也是使用了delete。

我们也要做到和库中一样。

但是如果就想拷贝智能指针呢？

🥮shared_ptr

C++11提供了更加可靠的智能指针，并且支持shared_ptr：

• sp2拷贝了sp1，sp1指向一个动态内存空间。
• sp1将其管理的内容加1，然后使用sp2将这个空间中的数值打印了出来。

拷贝出来的shared_ptr和原本的shared_ptr共同管理着一份动态内存空间，如下图所示：

但是在sp1和sp2生命周期结束的时候，这块空间并不会被多次释放而发生错误。

在shared_ptr中，除了指向的动态内存空间之外，还维护着一个变量，用来计数，这种方式称为引用计数。

• 只有一个shared_ptr指向这份动态内存空间时，引用计数值就是1。
• 每拷贝一份引用计数值就会加1。
• 当某个智能指针被销毁时，说明该指针不使用该资源了，引用计数值就会减一。

• 如果引用计数值是0，说明当前的智能指针是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源。
• 如果引用计数不是0，说明还有其他智能指针对象在使用该资源，所以不能释放。

上面描述的就是shared_ptr的原理，下面来看看代码实现：

• 在创建智能指针的时候，同时再创建一个引用计数，而且需要放在堆区上。
• 每当拷贝一个智能指针的时候，引用计数值就加一，并且新的智能指针也指向那份动态内存空间。
• 在智能指针析构的时候，将该指针的计数值先减一，然后判断是否为0，如果为0则释放动态内存空间以及引用计数，不为0则直接结束析构。

我们自己实现的shared_ptr同样可以实现库里的效果。

🍢智能指针的线程安全

C++11提供了多线程的库，可以直接以C++11的方式实现多线程并发。

可以通过创建thread对象来创建线程。

可以通过mutex对象来加锁和解锁。

C++11多线程的详细内容之后本喵会详细讲解，这里只是简单介绍一下。

在shared_ptr中增加一个获取引用计数的接口。

先创建一个shared_ptr智能指针。

• 创建线程1，在线程1中拷贝n = 50000次智能指针，每次进入for循环作用域拷贝，出作用域销毁。
• 再创建线程2，做和线程1同样的事情。

在主线程中等待线程成功后，打印引用计数的值。

• 理论上，线程1和线程2一共拷贝了100000次智能指针，引用计数值也加减了10000次。
• 最终在获取引用计数值的时候应该是1，因为两个从线程中拷贝的智能指针最终都释放了，只剩下了主线程中的智能指针。

但是运行多次，每次的结果都不一样，而且都不是1。

• 这是因为发生了数据不一致问题，也就是此时的智能指针不是线程安全的。

两个线程及主线程中的所有智能指针都共享引用计数，又因为拷贝构造以及析构都不是原子的，所以导致线程不安全问题。

解决办法和Linux中一样，需要加锁：

• 在shared_ptr中增加互斥锁的指针成员变量。
• 在创建智能指针的构造函数中，在堆区创建一把互斥锁。

互斥锁同样需要放在堆区，此时不同线程才能共享这把锁。并且每创建一个指向新动态空间的智能指针都需要创建一把锁。

• 在拷贝构造函数中，引用计数值加1时，需要让其成为原子操作，所以在加1前加锁，在加1后解锁，让多线程串行访问引用计数值。
• 在析构函数中，引用计数值减1时，同样需要让其成为原子操作，所以在减1前加锁，在减1后解锁。并且当析构最后一个智能指针时，不仅要释放管理的动态内存空间，也要释放互斥锁。

通过加锁和解锁操作，就让多线程互斥访问引用计数值，就不会发生数据不一致的线程不安全问题。

此时即使多次运行，最后打印的引用计数值都是1，此时就对于引用计数的访问就成了线程安全的了。

再增加一个接口，用来获取管理空间的地址，如上图所示。

• 两个线程中，在拷贝完主线程的智能指针后，都对共同管理的内容加一。

• 理论上，两个线程各对动态内存空间的值加50000次，最终主线程中输出的值应该是100000。

多次运行，只有一次出现理论值100000，其他都不是，而且值不相同。

可以看到，库中的智能指针同样会发生这个问题。

• 这是因为这些智能指针共同管理的动态内存空间是线程不安全的。

• 创建一把锁，在两个线程访问临界资源的位置进行加锁和解锁，让多线程串行访问共同管理的动态内存空间。

• 这里的锁和引用计数时加的锁不是一把锁，因为管理的动态内存空间和引用计数是两个不同的临界资源，所以需要两把锁。

此时无论运行多少次，最终的结果和我们的理论相符，所以此时的智能支持才完全线程安全。

结论：

• 智能指针本身是线程安全的，因为对引用计数的访问是互斥访问。
• 智能指针管理的资源是线程不安全的，必须再加锁才能线程安全。

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🍢operator=()

unique_ptr是不可以赋值的，shared_ptr作为改进版，必然是可以赋值的：

通过调试可以看到sp1成功赋值给了sp2，并且两个智能指针都指向同一块动态内存空间。

那么这是如何实现的呢？

• 先判断两个智能指针是否管理同一块资源，如果是则没有必要赋值，直接返回当前指针。
• 再该智能指针管理的空间释放，如果是多个指针管理，则引用计数减一，如果只有该指针管理，则直接释放资源，使用前面实现relase()就可以做到。
• 让两个指针共享同一份资源，包括管理的空间，引用计数，互斥锁。
• 最后让引用计数值加1。

调试可以看到，我们自己实现shared_ptr可以实现和库中一样的效果。

🍢循环引用

shared_ptr就完美了吗？并不是，它有一个死穴——循环引用。

创建一个链表节点，如上图所示，在该节点的析构函数中打印提示信息。

• 将node1和node2互相指向，形成循环引用。

执行该程序后，节点析构函数中的打印信息并没有打印，说明析构出了问题。

node1和node2刚创建的时候，它两的引用计数值都是1。

• 当两个节点循环引用后，它们的引用计数值都变成了2。

如果node1释放，还有node2的prev指向node1，所以node1不会被释放，也就不会执行析构函数。

如果node2释放，还有node1的next指向node2，所以node2也不会被释放，也不会执行析构函数。

• next属于node1的成员，node1释放了，next才会释放，不再指向node2。
• prev属于node2的成员，node2释放了，prev才会释放，不再指向node1。

• 但是node1和node2在释放自己后，仅仅是让各自的引用计数值减1，两个节点还是存在，由next和prev管理着。

在循环引用中，节点得不到真正的释放，就会造成内存泄漏。

循环引用的根本原因在于，next和prev也参与了资源的管理。

所以解决办法就是让节点中的next和prev仅指向对方，而不参与资源管理，也就是计数值不增加。

🥮weak_ptr

weak_ptr是为解决循环引用问题而产生的，所以它的拷贝构造以及赋值都不会让引用计数值加1，仅仅是指向资源。

weak_ptr中只有一个成员变量_ptr，用来指向动态内存空间，在默认构造函数中，仅仅指向动态内存空间。

• 拷贝构造函数和赋值运算符重载函数中，拷贝和赋值的对象都是shared_ptr指针。

weak_ptr就是用来解决循环引用问题的，所以拷贝和赋值的智能指针必须是shared_ptr。

• weak_ptr和shared_ptr并不是同一个类，所以获取shared_ptr中的_ptr时，不能直接访问，需要通过shared_ptr的接口get()来获取。

将节点中的prev和next使用weak_ptr智能指针。

可以看到，此时循环引用就可以正常析构了。

• 使用了weak_ptr以后，循环引用时，各个节点的引用计数值不增加，如上图所示。
• 所以node1和node2释放时节点也就真的释放了。

库中同样有weak_ptr，也是用来解决循环引用的：

标准库中智能指针的使用方法和我们自己实现的是一样的。

🥮定制删除器

前面我们自己实现的所有智能指针中，在释放动态内存资源的时候，都只用了delete，也就是所有new出来的资源都是单个的。

• 如果new int[20]，或者malloc(40)呢？
• 再或者是句柄呢？如FILE* fp。

当需要释放的资源是其他类型的呢？delete肯定就不能满足了，对于不同类型的资源，需要定制删除器。

先来看库中是如何实现的，这里仅拿shared_ptr为例，unique_ptr也是一样的。

• 在构造智能指针的时候，可以传入定制的删除器。
• 可以采用仿函数的方式，lambda的方式，以及函数指针的方式，只要是可调用对象都可以。

此时的智能指针指向的是动态数组，我们传入的定制删除器也是释放数组的，通过打印信息可以看到成功执行了。

• 写一个默认删除方式的仿函数，执行的是delete ptr。
• 在shared_ptr类模板的模板参数中增加一个定制删除器的模板参数，缺省值默认删除方式。
• 在释放资源的时候，在Release()中调用定制的删除器仿函数对象。
• 成员变量中增加一个删除器的仿函数对象。

在创建智能指针对象的时候，实例化时传入定制的删除器类型，这里只能是仿函数，不能是lambda表达式，因为实例化时传入的是类型，不是对象。

即使使用decltype来生命lambda表达式类型也不可以，如上图所示。

• decltype是在执行时推演类型，而这里是实例化是在编译时实例化。

还可以定制释放文件指针的删除器，如上图所示。

• 以写方式打开文件后返回的文件指针初始化智能指针。
• 在智能指针生命周期结束的时候，在析构函数中调用定制的删除器关闭了文件。

• 标准库中的智能指针，在使用定制删除器的时候，是在构造对象时传入函数对象来实现的。
• 我们自己实现的智能指针，是在实例化时，传入仿函数类型实现的。

这是因为，C++11标准库实现的方式和我们不一样，它的更加复杂，专门封装了几个类管理引用计数以及定制删除器等内容。

🥮总结

智能指针的发展经过：

• C++98中的auto_ptr，存在非常大的缺陷，在拷贝构造或者赋值的时候，原本的auto_ptr会被置空，所以这个智能指针存在非常大的缺陷，很多地方都禁止使用。
• C++11中的unique_ptr，禁止了拷贝和赋值，直接避免了auto_ptr可能存在的缺陷，是一个独一无二的智能指针，但是它不能拷贝和赋值。
• C++11又提供了shared_ptr，通过引用计数的方式解决了不能拷贝和赋值的缺陷，并且通过互斥锁保证了shared_ptr本身的线程安全，但是它的死穴是循环引用。
• C++11为了解决shared_ptr的循环引用问题，又提供了weak_ptr智能指针，通过仅指向不管理的方式解决了这个问题。

在使用的时候要根据具体情况选择合适的智能指针，切记最好不要使用auto_ptr。

其实C++委员会还发起了一个库，叫boost库，这个库可以理解为C++标准库的先行版，boost库中好用的东西会被C++标准库收录，标准库中的智能指针就是参照boost库中的智能指针再加以修改定义出来的。