C++ 11 智能指针的坑和引用计数的意义

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一、本节内容

本节内容包括：

• 对标准库的扩充: 智能指针和引用计数
  • RAII 与引用计数
  • std::shared_ptr
  • std::unique_ptr
  • std::weak_ptr

二、RAII 与引用计数

了解 Objective-C/Swift 的程序员应该知道引用计数的概念。引用计数这种计数是为了防止内存泄露而产生的。基本想法是对于动态分配的对象，进行引用计数，每当增加一次对同一个对象的引用，那么引用对象的引用计数就会增加一次，每删除一次引用，引用计数就会减一，当一个对象的引用计数减为零时，就自动删除指向的堆内存。

在传统 C++ 中，『记得』手动释放资源，总不是最佳实践。因为我们很有可能就忘记了去释放资源而导致泄露。所以通常的做法是对于一个对象而言，我们在构造函数的时候申请空间，而在析构函数（在离开作用域时调用）的时候释放空间，也就是我们常说的 RAII 资源获取即初始化技术。

凡事都有例外，我们总会有需要将对象在自由存储上分配的需求，在传统 C++ 里我们只好使用 new 和 delete 去『记得』对资源进行释放。而 C++11 引入了智能指针的概念，使用了引用计数的想法，让程序员不再需要关心手动释放内存。这些智能指针就包括 std::shared_ptr/std::unique_ptr/std::weak_ptr，使用它们需要包含头文件 。

注意：引用计数不是垃圾回收，引用技术能够尽快收回不再被使用的对象，同时在回收的过程中也不会造成长时间的等待，更能够清晰明确的表明资源的生命周期。

三、std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种智能指针，它能够记录多少个 shared_ptr 共同指向一个对象，从而消除显示的调用 delete，当引用计数变为零的时候就会将对象自动删除。

但还不够，因为使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 来调用，这使得代码出现了某种程度上的不对称。

std::make_shared 就能够用来消除显示的使用 new，所以std::make_shared 会分配创建传入参数中的对象，并返回这个对象类型的std::shared_ptr指针。例如：

1. #include
2. #include
4. void foo(std::shared_ptr<int> i)
5. {
6. (*i)++;
7. }
8. int main()
9. {
10. // auto pointer = new int(10); // 非法, 不允许直接赋值
11. // 构造了一个 std::shared_ptr
12. auto pointer = std::make_shared< int>( 10);
13. foo(pointer);
14. std:: cout << *pointer << std:: endl; // 11
16. // 离开作用域前，shared_ptr 会被析构，从而释放内存
17. return 0;
18. }

std::shared_ptr 可以通过 get() 方法来获取原始指针，通过 reset() 来减少一个引用计数，并通过get_count()来查看一个对象的引用计数。例如：

1. auto pointer = std::make_shared< int>( 10);
2. auto pointer2 = pointer; // 引用计数+1
3. auto pointer3 = pointer; // 引用计数+1
4. int *p = pointer.get(); // 这样不会增加引用计数
6. std:: cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std:: endl; // 3
7. std:: cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std:: endl; // 3
8. std:: cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std:: endl; // 3
10. pointer2.reset();
11. std:: cout << "reset pointer2:" << std:: endl;
12. std:: cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std:: endl; // 2
13. std:: cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std:: endl; // 0, pointer2 已 reset
14. std:: cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std:: endl; // 2
16. pointer3.reset();
17. std:: cout << "reset pointer3:" << std:: endl;
18. std:: cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std:: endl; // 1
19. std:: cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std:: endl; // 0
20. std:: cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std:: endl; // 0, pointer3 已 reset

四、std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占的智能指针，它禁止其他智能指针与其共享同一个对象，从而保证了代码的安全：

1. std:: unique_ptr< int> pointer = std::make_unique< int>( 10); // make_unique 从 C++14 引入
2. std:: unique_ptr< int> pointer2 = pointer; // 非法

make_unique 并不复杂，C++11 没有提供 std::make_unique，可以自行实现：

1. template< typename T, typename ...Args>
2. std:: unique_ptr make_unique( Args&& ...args ) {
3. return std:: unique_ptr( new T( std::forward(args)... ) );
4. }

至于为什么没有提供，C++ 标准委员会主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因为『被他们忘记了』。

既然是独占，换句话说就是不可复制。但是，我们可以利用 std::move 将其转移给其他的 unique_ptr，例如：

1. #include
2. #include
4. struct Foo {
5. Foo() { std:: cout << "Foo::Foo" << std:: endl; }
6. ~Foo() { std:: cout << "Foo::~Foo" << std:: endl; }
7. void foo() { std:: cout << "Foo::foo" << std:: endl; }
8. };
10. void f(const Foo &) {
11. std:: cout << "f(const Foo&)" << std:: endl;
12. }
14. int main() {
15. std:: unique_ptr p1( std::make_unique());
17. // p1 不空, 输出
18. if (p1) p1->foo();
19. {
20. std:: unique_ptr p2( std::move(p1));
22. // p2 不空, 输出
23. f(*p2);
25. // p2 不空, 输出
26. if(p2) p2->foo();
28. // p1 为空, 无输出
29. if(p1) p1->foo();
31. p1 = std::move(p2);
33. // p2 为空, 无输出
34. if(p2) p2->foo();
35. std:: cout << "p2 被销毁" << std:: endl;
36. }
37. // p1 不空, 输出
38. if (p1) p1->foo();
40. // Foo 的实例会在离开作用域时被销毁
41. }

五、std::weak_ptr

如果你仔细思考 std::shared_ptr 就会发现依然存在着资源无法释放的问题。看下面这个例子：

1. #include
2. #include
4. class A;
5. class B;
7. class A {
8. public:
9. std:: shared_ptr pointer;
10. ~A() {
11. std:: cout << "A 被销毁" << std:: endl;
12. }
13. };
14. class B {
15. public:
16. std:: shared_ptr pointer;
17. ~B() {
18. std:: cout << "B 被销毁" << std:: endl;
19. }
20. };
21. int main() {
22. std:: shared_ptr a = std::make_shared();
23. std:: shared_ptr b = std::make_shared();
24. a->pointer = b;
25. b->pointer = a;
27. return 0;
28. }

运行结果是 A, B 都不会被销毁，这是因为 a,b 内部的 pointer 同时又引用了 a,b，这使得 a,b 的引用计数均变为了 2，而离开作用域时，a,b 智能指针被析构，却智能造成这块区域的引用计数减一，这样就导致了 a,b 对象指向的内存区域引用计数不为零，而外部已经没有办法找到这块区域了，也就造成了内存泄露，如图所示：

解决这个问题的办法就是使用弱引用指针 std::weak_ptr，std::weak_ptr是一种弱引用（相比较而言 std::shared_ptr 就是一种强引用）。弱引用不会引起引用计数增加，当换用弱引用时候，最终的释放流程如下图所示：

在上图中，最后一步只剩下 B，而 B 并没有任何智能指针引用它，因此这块内存资源也会被释放。

std::weak_ptr 没有 * 运算符和 -> 运算符，所以不能够对资源进行操作，它的唯一作用就是用于检查 std::shared_ptr是否存在，expired() 方法在资源未被释放时，会返回 true，否则返回 false。

正确的代码如下：

1. #include
2. #include
4. class A;
5. class B;
7. class A {
8. public:
9. // A 或 B 中至少有一个使用 weak_ptr
10. std::weak_ptr pointer;
11. ~A() {
12. std:: cout << "A 被销毁" << std:: endl;
13. }
14. };
15. class B {
16. public:
17. std:: shared_ptr pointer;
18. ~B() {
19. std:: cout << "B 被销毁" << std:: endl;
20. }
21. };
22. int main() {
23. std:: shared_ptr a = std::make_shared();
24. std:: shared_ptr b = std::make_shared();
25. a->pointer = b;
26. b->pointer = a;
28. return 0;
29. }

总结

智能指针这种技术并不新奇，在很多语言中都是一种常见的技术，C++1x 将这项技术引进，在一定程度上消除了 new/delete 的滥用，是一种更加成熟的编程范式。