C++ 智能指针

C++中的智能指针是一种用于自动管理动态分配内存的对象。通过使用智能指针，开发者可以避免由于忘记释放内存而导致的内存泄漏，以及由于多次释放同一块内存而导致的双重释放问题。

C++标准库提供了几种不同类型的智能指针，包括std::unique_ptr、std::shared_ptr、std::weak_ptr和std::auto_ptr（但std::auto_ptr在C++11及以后的版本中已被废弃）。

1、std::unique_ptr

std::unique_ptr的主要特点是“独占所有权”，在给定时间内只有唯一一个指针可以拥有对象，当这个指针被销毁（例如，离开其作用域）时，它所指向的对象也会被自动删除。

移动语义：允许资源的所有权从一个std::unique_ptr对象转移到另一个std::unique_ptr对象，通过std::move函数实现；

空指针检查：std::unique_ptr提供了成员函数get方法来获取所管理的指针，如果是空指针则表示不拥有任何资源；

自定义删除器：std::unique_ptr允许用户指定一个自定义的删除器（可以是一个函数、函数对象或 lambda 表达式），用于在资源释放时执行特定的操作；

内部实现：std::unique_ptr是一个模板类，定义在头文件中，它的构造函数接受一个原始指针，还可以选择一个自定义的删除器。它禁用了复制构造和赋值操作。

std::unique_ptrdecltype(deleter_wrapper)> ptr(new MyClass(42), deleter_wrapper);

使用技巧： 在创建std::unique_ptr时推荐使用std::make_unique函数来替代直接调用构造函数。

// 当ptr离开作用域时，int对象会被自动删除
std::unique_ptr<int> ptr(new int(5));  // 直接使用new运算符构造
std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(42);  // 使用std::make_unique构造

std::make_unique 是 C++14 引入的一个智能指针辅助函数，它用于动态分配一个对象并初始化一个 std::unique_ptr 智能指针来管理这个对象的生命周期。使用 std::make_unique 比直接使用 new 运算符并构造 std::unique_ptr 更为安全和高效，因为它可以将对象和其控制块分配在连续的内存中。如果在构造函数内部抛出了异常，std::make_unique 会确保内存被正确释放，从而避免了内存泄漏。

2、std::shared_ptr

std::shared_ptr的主要特点是“共享所有权”。它使用一个引用计数机制来管理资源的生命周期，确保当没有任何std::shared_ptr指向该资源时，资源会被自动释放。

引用计数：每个std::shared_ptr对象都持有一个指向控制块的指针，这个控制块包含一个引用计数和指向被管理资源的指针。当一个新的std::shared_ptr被创建和引用赋值时，控制块的引用计数会增加。当一个std::shared_ptr被销毁或被重置为另一个资源时，控制块的引用计数会减少。

控制块：控制块包含一个引用计数和指向被管理资源的指针，还包含删除器和自定义分配器的指针，引用计数变为0时释放资源。

自定义删除器：std::shared_ptr允许用户提供一个自定义的删除器，该删除器在引用计数为0时调用，用于释放资源。

线程安全：std::shared_ptr的引用计数是线程安全的，引用计数的增加和减少操作通常使用原子操作来实现。

循环引用：std::shared_ptr可以有效地管理资源的生命周期，但它无法解决循环引用问题。为解决循环引用问题引入了std::weak_ptr。

std::shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(5);
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // ptr1和ptr2共享所有权
// 当ptr1和ptr2都离开作用域时，int对象才会被删除

3、std::weak_ptr

std::weak_ptr是一种弱引用智能指针，不会增加对象的引用计数，也不影响对象的声明周期。
内部结构：std::weak_ptr内部维护了一个指向引用计数对象的指针，这个引用计数对象与std::shared_ptr共享。引用计数对象包含两个重要的计数：强引用计数（由std::shared_ptr管理）和弱引用计数（由std::weak_ptr管理）。

主要操作：std::weak_ptr 可以从 std::shared_ptr 或另一个 std::weak_ptr 构造，构造过程中不会增加强引用计数，但会增加弱引用计数。std::weak_ptr 提供了 lock 成员函数，用于尝试获取一个指向同一对象的 std::shared_ptr。std::weak_ptr 提供了 expired 成员函数，用于检查所指向的对象是否已经被销毁。如果对象已经被销毁，expired 返回 true；否则返回 false。

生命周期：当 std::shared_ptr 释放了所管理的对象时，对象的强引用计数会变为 0，对象会被删除。但此时弱引用计数可能不为 0（因为有 std::weak_ptr 指向它），因此对象的控制块（包含引用计数信息的结构）不会被立即销毁。只有当最后一个指向该对象的 std::weak_ptr 被销毁时，弱引用计数才会变为 0，此时控制块才会被销毁，从而完全释放资源。

注意事项：避免过度使用 lock 函数，因为它可能会增加引用计数并进行内存分配，从而影响性能。在使用 std::weak_ptr 观测所指向对象的生命周期时，应该始终使用 lock 或 expired 函数来检查对象是否存在，以避免在访问已销毁对象时产生未定义行为。

// 假设有两个shared_ptr相互引用，形成循环引用
// 使用weak_ptr可以打破这种循环引用

4、std::auto_ptr（已废弃）

std::auto_ptr是C++98中引入的一个智能指针，但在C++11及以后的版本中已被废弃，因为它存在所有权转移的问题，可能导致意外的行为。因此，建议不要使用std::auto_ptr。