C++智能指针

1. 为什么需要智能指针？

下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么内存方面的问题？

#include
using namespace std;

int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
	// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
	// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
	// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int;
	cout << div() << endl;
	delete p1;
	delete p2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34

有一种情况是当b=0时，会抛出异常，中止程序，程序并不会走向delete p1和delete p2这两条语句，new出来的内存，没有delete释放空间，因此会导致内存泄漏问题。

C++需要智能指针的原因是为了更好地管理动态分配的内存，并防止内存泄漏和悬挂指针等问题。

在C++中，使用new操作符动态分配的内存必须手动释放，否则会导致内存泄漏。但是，在使用delete操作符释放内存时，如果指针已经被释放或者指针为空，再次释放就会引发错误。为了避免这些问题，C++引入了智能指针的概念。

智能指针是一种RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制的实现，它将动态分配的内存管理与指针对象的生命周期绑定在一起。当智能指针对象离开作用域时，它会自动释放所管理的内存，避免了手动释放内存容易出现的错误。

2. 内存泄漏

2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内
存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

void MemoryLeaks()
{
	 // 1.内存申请了忘记释放
	 int* p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
	 int* p2 = new int;
	 // 2.异常安全问题
	 int* p3 = new int[10];
	 Func(); // 这里如果Func函数抛异常，则会导致 delete[] p3未执行，p3没被释放.
	 delete[] p3;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

2.2 内存泄漏分类（了解）

C/C++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

1. 堆内存泄漏(Heap leak)
   堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc / new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete 删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。
2. 系统资源泄漏
   指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

2.3 如何检测内存泄漏（了解）

1. 在linux下内存泄漏检测：linux下几款内存泄漏检测工具
2. 在windows下使用第三方工具：VLD工具说明
3. 其他工具：内存泄漏工具比较

2.4如何避免内存泄漏

1. 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。ps：不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。
   总结一下:内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。

3.智能指针的使用及原理

3.1 RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。
即：在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

1. 不需要显式地释放资源。
2. 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

template<class T>
class SmartPtr {
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};
int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	SmartPtr<int> sp2(new int);
	cout << div() << endl;
}
int main()
{
	try {
		Func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39

3.2 智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。

template<class T>
class SmartPtr {
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}
	T& operator*() { return *_ptr; }
	T* operator->() { return _ptr; }
private:
	T* _ptr;
};
struct Date
{

	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10;
	cout << *sp1 << endl;
	SmartPtr<Date> sparray(new Date);
	// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
	// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
	sparray->_year = 2018;
	sparray->_month = 1;
	sparray->_day = 1;
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

总结一下智能指针的原理：

1. RAII特性。
2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

3.3 std::auto_ptr

std::auto_ptr文档
C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份bit::auto_ptr来了解它的原理。

// C++98 管理权转移 auto_ptr
namespace hcm
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			// 管理权转移
			sp._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
			// 检测是否为自己给自己赋值
			if (this != &ap)
			{
				// 释放当前对象中资源
				if (_ptr)
					delete _ptr;
				// 转移ap中资源到当前对象中
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = NULL;
			}
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
		// 像指针一样使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

int main()
{
	auto_ptr<int> sp1(new int);
	auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移
	// sp1悬空
	*sp2 = 10;
	cout << *sp2 << endl;
	cout << *sp1 << endl;

	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60

auto_ptr是C++标准库中的一个智能指针，它有一些缺点和弊端，这也是为什么在C++11以后，它被标记为废弃，且在C++17中被彻底移除的原因。以下是auto_ptr的一些主要弊端：

1. 所有权转移不清晰：auto_ptr的一个大问题是，它的所有权转移语义不清晰。当一个auto_ptr被赋值给另一个auto_ptr时，所有权就会转移，原auto_ptr将失去对内存的所有权，且变为无效。这种语义可能会导致难以预见的错误。
2. 不适用于STL容器：由于STL容器如std::vector、std::list等需要复制元素，而auto_ptr的复制行为是转移所有权，这使得auto_ptr不能正确地用于STL容器。
3. 不支持数组：auto_ptr不能安全地管理动态分配的数组。例如，如果你尝试用auto_ptr来管理通过new[]分配的数组，它会在析构时调用delete而不是delete[]，这会导致未定义行为。
4. 不支持自定义删除器：与std::unique_ptr和std::shared_ptr不同，auto_ptr不支持自定义删除器。这限制了auto_ptr的灵活性，使其不能用于一些需要自定义删除场景的特殊情况。
5. 已被更优秀的智能指针替代：在C++11及以后的版本中，我们已经有了std::unique_ptr和std::shared_ptr这两种更优秀的智能指针。它们分别代表独占所有权和共享所有权，且它们的语义更清晰，功能更强大。

因此，为了避免这些问题，建议使用std::unique_ptr和std::shared_ptr替代auto_ptr。
结论：auto_ptr是一个失败设计，很多公司明确要求不能使用auto_ptr。

3.4 std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr。
unique_ptr文档
unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理：

namespace hcm
{
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		~unique_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		// 像指针一样使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		//delete 关键字用于显式地删除unique_ptr的拷贝和构造函数
		unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;

	private:
		T* _ptr;
	};
}

int main()
{
	 hcm::unique_ptr<int> sp1(new int);
	 hcm::unique_ptr<int> sp2(sp1);//不可以拷贝构造

	 std::unique_ptr<int> sp1(new int);
	 std::unique_ptr<int> sp2(sp1);//不可以拷贝构造

	 return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45

unique_ptr的缺点包括：
不支持拷贝操作：unique_ptr所有权唯一，禁止拷贝，只能移动。这意味着不能将一个unique_ptr复制给另一个unique_ptr。这虽然在某些情况下有助于保护数据，但也限制了其使用场景。

功能不全面：相比其他智能指针，unique_ptr的功能可能相对较少。例如，它不支持共享所有权，这使得在需要在多个所有者之间共享资源时，unique_ptr可能不是最佳选择。
请注意，尽管有这些缺点，unique_ptr在特定场景下仍然是非常有用的工具。其适用于需要独占所有权的情况，且其简洁高效的特性也是一大优点。在选择使用哪种智能指针时，需要根据具体需求进行权衡。

3.5 std::shared_ptr

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr。
std::shared_ptr文档
shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；
4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

引用计数支持多个拷贝管理同一个资源，最后一个析构对象释放资源：

#include
#include
using namespace std;

namespace hcm
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			, _pRefCount(new int(1))
		{}
		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			:_ptr(ptr)
			, _pRefCount(new int(1))
			, _del(del)
		{}
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr == sp._ptr)
				return *this;

			if (--(*_pRefCount) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _pRefCount;
			}

			_ptr = sp._ptr;
			_pcount = sp._pRefCount;
			++(*_pRefCount);

			return *this;
		}
		int use_count()
		{
			return *_pRefCount;
		}
		~shared_ptr()
		{
			if (--(*_pRefCount) == 0)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				//delete _ptr;
				_del(_ptr);

				delete _pRefCount;
			}
		}
		// 像指针一样使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T* get() const
		{
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _pRefCount;
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};

	// 简化版本的weak_ptr实现
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
			:_ptr(nullptr)
		{}
		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{}
		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};

}

//shared_ptr智能指针是线程安全的吗？
// 是的，引用计数的加减是加锁保护的。但是指向资源不是线程安全的
// 指向堆上资源的线程安全问题是访问的人处理的，智能指针不管，也管不了
// 引用计数的线程安全问题，是智能指针要处理的
int main()
{
	hcm::shared_ptr<int> sp1(new int);
	hcm::shared_ptr<int> sp2(sp1);
	hcm::shared_ptr<int> sp3(sp1);
	hcm::shared_ptr<int> sp4(new int);
	hcm::shared_ptr<int> sp5(sp4);
	
	sp1 = sp1;
	sp1 = sp2;
	sp1 = sp4;
	sp2 = sp4;
	sp3 = sp4;
	*sp1 = 2;
	*sp2 = 3;
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123

std::shared_ptr的线程安全问题:
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是自己的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
2. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。

std::shared_ptr的循环引用:

#include
#include   
using namespace std;


struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

循环引用分析：

1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动
   delete。
2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
6. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
   就好比张三和李四两个人打架，互相拽这人家的衣服，张三说你先松手，李四说你先松手我就松手，张三说你先松手我才松手，陷入死循环了。
   
   解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了。
   原理就是，node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和
   _prev不会增加node1和node2的引用计数。

struct ListNode
{
	int _data;
	weak_ptr<ListNode> _prev;
	weak_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题（ps：删除器这个问题我们了解一下）

// 仿函数的删除器
template<class T>
struct FreeFunc 
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "free:" << ptr << endl;
		free(ptr);
	}
};
template<class T>
struct DeleteArrayFunc 
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	}
};
int main()
{
	FreeFunc<int> freeFunc;
	std::shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
	DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
	std::shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
	 
	 
	std::shared_ptr<A> sp4(new A[10], [](A* p){delete[] p; });
	std::shared_ptr<FILE> sp5(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* p)
	{fclose(p); });
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32

4.C++11和boost中智能指针的关系

C++11和Boost中的智能指针有密切的关系。事实上，C++11中的智能指针概念在很大程度上受到了Boost库的影响。在C++11引入标准库的智能指针之前，Boost库已经提供了自己的智能指针实现，用于解决原生指针可能导致的内存泄漏和悬挂指针等问题。

C++11引入了三种智能指针：std::unique_ptr，std::shared_ptr和std::weak_ptr，这些智能指针都定义在头文件中。这些智能指针的设计和功能在很大程度上借鉴了Boost库中对应的智能指针实现。

• std::unique_ptr与Boost中的boost::scoped_ptr和boost::unique_ptr功能相似，它表示一个独占所有权的智能指针。
• std::shared_ptr与Boost中的boost::shared_ptr功能相似，它允许多个智能指针共享同一个对象的所有权。
• std::weak_ptr是为了配合std::shared_ptr而引入的，与Boost中的boost::weak_ptr功能相似，它持有一个非拥有的引用，用于解决循环引用问题。

虽然C++11的智能指针在很大程度上与Boost的智能指针相似，但它们之间还是存在一些细微的差异。此外，C++11的智能指针更加标准化，具有更稳定、更统一的API和行为。

因此，如果你的项目已经使用了Boost库，那么迁移到C++11的智能指针通常是一个相对容易的过程。然而，如果你的项目不需要Boost库的其他功能，或者你想要使用更标准的智能指针实现，那么直接使用C++11的智能指针是一个更好的选择。