stl中auto_ptr,unique_ptr,shared_ptr,weak_ptr四种智能指针使用总结

在一次面试过程中被问到了stl中的四种智能指针的用法
由于经验不足，我只知道auto_ptr和shared_ptr，然后还说了一个弱...    然后面试官就提示是weak_ptr，之后他又主动说出了unique_ptr
我也只对auto_ptr和shared_ptr做了一下使用场景。
现在回想起来，对这次面试还是很不满意，对自己的知识面也是很不满意，最近工作不是很忙，专门来总结一下这四种智能指针
以免以后重蹈覆辙，也算是一个学习笔记吧。


1. auto_ptr
auto_ptr主要是用来解决资源自动释放的问题，比如如下代码：
void Function()
{
Obj*p = new Obj(20);
...
if (error occor)
throw ... 或者 retrun;
delete p;
}
在函数遇到错误之后，一般会抛异常，或者返回，但是这时很可能遗漏之前申请的资源，及时是很有经验的程序员也有可能出现这种错误，
而使用auto_ptr会在自己的析够函数中进行资源释放。也就是所说的RAII
使用auto_ptr代码如下
void Function()
{
auto_ptr ptr( new Obj(20) );
...
if (error occur)
throw exception...
}
这样无论函数是否发生异常，在何处返回，资源都会自动释放。
需要提一下的是这是一个被c++11标准废弃的一个智能指针，为什么会被废弃，先看一下下面的代码：
auto_ptr ptr1( new Obj() );
ptr1->FuncA();
auto_ptr ptr2 = ptr1;
ptr2->FuncA();
ptr1->FuncA();  // 这句话会异常
为什么在把ptr1复制给ptr2之后ptr1再使用就异常了呢？
这也正是他被抛弃的主要原因。
因为auto_ptr复制构造函数中把真是引用的内存指针进行的转移，也就是从ptr1转移给了ptr2,此时，ptr2引用了Obj内存地址，而ptr1引用的内存地址为空，、
此时再使用ptr1就异常了。


2. unique_ptr
unique_ptr可以看成是auto_ptr的替代品。因为他对对象的所有权比较专一，所以才叫unique 大笑
i) 无法进行复制构造和赋值操作
auto_ptr与unique_ptr的对比：
auto_ptr ap(new Obj() );
auto_ptr one (ap) ; // ok
auto_ptr two = one; //ok


unique_ptr ap(new Obj() );
unique_ptr one (ap) ; // 会出错
unique_ptr two = one; //会出错
也就是说unique_ptr对对象的引用比较专一，不允许随随便便的进行转移
ii)  可以进行移动构造和移动赋值操作
unique_ptr GetObj()
{
unique ptr( new Obj() );
return ptr;
}
unique ptr = GetObj();
上面的代码可以顺利执行！
什么是移动构造和移动赋值呢？ 这得益于C++11的标准规范。这个知识点可以参考参考网址中的第三个。
那么如果万一我就是需要把一个unique_ptr智能指针赋值给另外一个怎么办呢？
可以使用移动函数！如下：
unique ptr1( new Obj() );
unique ptr2( std::move(ptr1) );
这个效果和auto_ptr直接赋值是一样的，就是ptr1不再拥有Obj对象了，所以ptr1不能再用来操作内存中的Obj对象，因为这个是手动操作的，
所以程序员自己也会更加小心。


3. shared_ptr
auto_ptr和unique_ptr都只能一个智能指针引用对象，而shared_ptr则是可以多个智能指针同时拥有一个对象。
shared_ptr实现方式就是使用引用计数。这一技术在COM中是用来管理COM对象生命周期的一个方式。
引用计数的原理是，多个智能指针同时引用一个对象，每当引用一次，引用计数加一，每当智能指针销毁了，引用计数就减一，
当引用计数减少到0的时候就释放引用的对象。这种引用计数的增减发生在智能指针的构造函数，复制构造函数，赋值操作符，析构函数中。
这种方式使得多个智能指针同时对所引用的对象有拥有权，同时在引用计数减到0之后也会自动释放内存，也实现了auto_ptr和unique_ptr的资源释放的功能。


void Function()
 {
shared_ptr ptr1( new Obj() ); // 引用计数为1
{
shared_ptr ptr2( ptr1 ); // 引用计数为2
{
shared_ptr ptr3 = ptr2; // 引用计数为3
int e = 0
}
//引用计数为2
}
//引用计数为1
}
//函数返回之后引用计数为0，new 出来的Obj内存已经释放了


由于shared_ptr支持复制构造，所以他可以作为标准库容器中的元素
vector> vect;
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
vect.push_back( shared_ptr( new Obj() ) );
}
vector> vect2 = vect;
这些操作是auto_ptr和unique_ptr不能实现的。
注意，智能指针默认使用delete来释放资源，如果资源是FILE*怎么办？释放的时候就需要用fclose了。
如何实现呢？ 
shared_ptr构造函数可以传递一个删除器。
FILE* pStm = fopen(...);
shared_ptr fileRes(pStm, &fclose);
或者使用一个仿函数
class FileCloser { 
     public: 


        void operator()(FILE* file) { 


         std::cout << "The FileCloser has been called with a FILE*, " 


           "which will now be closed.\n"; 


         if (file!=0)  


           fclose(file); 


       } 


     }; 
shared_ptr fileRes(pStm, FileCloser);
关于这点看一参考这篇文章： http://www.cnblogs.com/learn-my-life/p/3817151.html

 

2020.3.6更新:

shared_ptr使用过程中的一些注意事项：

• 不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，原因在于，会造成二次销毁，如下所示：（吃过亏）

      int *p5 = new int;
      std::shared_ptr p6(p5);
      std::shared_ptr p7(p5);// logic error

• 不要在函数实参中创建shared_ptr。因为C++的函数参数的计算顺序在不同的编译器下是不同的。正确的做法是先创建好，然后再传入。

    function(shared_ptr(new int), g());

• 禁止通过shared_from_this()返回this指针，这样做可能也会造成二次析构。（和第一点本质问题是同一个，想了解shared_from_this()可以参考这篇文章 ：https://blog.csdn.net/zk3326312/article/details/79108690）
• 避免循环引用。智能指针最大的一个陷阱是循环引用，循环引用会导致内存泄漏。解决方法是AStruct或BStruct改为weak_ptr。

4. weak_ptr
shared_ptr是一种强引用的关系，智能指针直接引用对象。那么这个会代码一个隐含的问题，就是循环引用，从而造成内存泄漏，即便是java语言有自己的
垃圾回收器，对这种内存泄漏也没有办法，所以循环引用对java程序员来说也是一个很值得注意的问题。首先来看一个循环引用的例子。


class Parent
{
public:
    shared_ptr child;
};




class Child
{
public:
    shared_ptr parent;
};


void Function()
{
shared_ptr pA(new Parent);
shared_ptr pB(new Child);
pA->child = pB;
pB->parent = pA;
}
现在来分析一下Function函数的执行过程：
1. 第一条语句使得pA引用了Parent一个指针，Parent引用计数为1
2. 第二条语句使得pB引用了Child一个指针，Child引用计数为1
3. 第三条语句，调用了shared_ptr类的赋值操作符，使得Child引用计数变为2
4. 第四条语句，调用了shared_ptr类的赋值操作符，使得Parent引用计数变为2
5. 函数返回之前调用了shared_ptr和shared_ptr类的析够函数，使得Child引用计数变为1，Parent引用计数变为1
看！函数执行完之后new出来的Parent和Child并没有释放，所以出现了内存泄漏。
出现泄漏的原因就是pA和pB相互引用了，导致两者所引用对象的引用计数不能减少到0，造成泄漏。
如果把第三条语句或者第四条语句任意删除一个，就不会有泄漏了。
这就是强引用所带来的问题。
weak_ptr从字面意思上可以看出是一个弱指针，不是说明这个指针的能力比较弱，而是说他对他所引用的对象的所有权比较弱，
说得更直接一点儿就是他并不拥有所引用对象的所有权，而且他还不能直接使用他所引用的对象。


在stl中，weak_ptr是和shared_ptr配合使用的(和shared_ptr总是出双入对 -_-)，在实现shared_ptr的时候也就考虑了weak_ptr的因素。
weak_ptr是shared_ptr的观察者，它不会干扰shared_ptr所共享对象的所有权，
当一个weak_ptr所观察的shared_ptr要释放它的资源时，它会把相关的weak_ptr的指针设置为空，防止weak_ptr持有悬空的指针。
注意：weak_ptr并不拥有资源的所有权，所以不能直接使用资源。
可以从一个weak_ptr构造一个shared_ptr以取得共享资源的所有权。
void Function()
{
 shared_ptr sp( new Obj() );
 assert(sp.use_count() == 1);
 weak_ptr wp(sp); //从shared_ptr创建weak_ptr
 assert(wp.use_count() == 1);
 if (!wp.expired())//判断weak_ptr观察的对象是否失效
 {
  shared_ptr sp2 = wp.lock();//获得一个shared_ptr
  *sp2 = 100;
  assert(wp.use_count() == 2);
 }
 assert(wp.use_count() == 1);
 return 0;
}
weak_ptr并没有重载-> 和 * 操作符，所以我们不能通过他来直接使用资源，我们可以通过lock来获得一个shared_ptr对象
来对资源进行使用，如果引用的资源已经释放，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。 expired函数用来判断资源是否失效。
使用weak_ptr并不会增加资源的引用计数。所以对资源的引用是弱引用，利用这个特性可以解决前面所说的循环依赖问题。


class Parent
{
public:
    weak_ptr child;
};




class Child
{
public:
    weak_ptr parent;
};


void Function()
{
shared_ptr pA(new Parent);
shared_ptr pB(new Child);
pA->child = pB;
pB->parent = pA;
}


这个时候第三和第四条语句的执行并没有增加引用计数，从而在函数执行完成只有能自动释放内存。
从上面的分析可以看出，weak_ptr是一种辅助shared_ptr的一种智能指针，一般不单独使用，而是结合
shared_ptr一起使用。


总结：
1. 尽量使用unique_ptr而不要使用auto_ptr
2. 一般来说shared_ptr能够满足我们大部分的需求
3. weak_ptr可以避免递归的依赖关系


参考网址：
1. http://www.jellythink.com/archives/684
2. http://www.jellythink.com/archives/673
3. http://www.cnblogs.com/TianFang/archive/2013/01/26/2878356.html （c++右值引用相关知识点）
4. http://www.cnblogs.com/learn-my-life/p/3817151.html
5. http://blog.csdn.net/hp_truth/article/details/40511617
6. http://www.cppblog.com/deane/archive/2010/02/25/108428.html（c++临时对象相关知识点）
7. http://blog.csdn.net/mmzsyx/article/details/8090849
8. http://www.cnblogs.com/learn-my-life/p/3817279.html