智能指针的原理示例

1 传统指针存在的问题

刚学C++的朋友，要数最令人头疼的问题莫过于指针了。

当你在堆上创建了一个对象时，系统就把这个对象的生命期完全交给了你，当用完之后，系统并不会回收资源，而是需要你来释放它。

那么，既然要负责对象的释放问题，就要知道什么时候释放和在哪里释放。如果你没有处理好这两个问题，就会造成内存泄漏或程序崩溃的问题。

//1 内存泄漏 str1所指的资源没有被释放
{
    string* str1 = new string("hello");
    string* str2 = new string("world");
}

//2 多重释放，引起程序崩溃
{
    string* str1 = new string("hello");
    delete str1;
    //...
    delete str1;//引起程序崩溃
}

虽然上述例子很简单，指针的释放是在同一作用域中进行的，大家在编程中也能很容易避免上述代码中的问题。

但是，对于一个大型项目，在某一处创建的对象，可能并不会在对应作用域中释放，而是等到某些事件发生，异常处理等情况下才会去销毁对象，对于这样的问题往往是很难排查出来的。

所以，有必要引用一种机制来负责指针的自动销毁。而不是由程序员本身去手动销毁。智能指针恰恰就是这样的一种机制。

2 基于引用计数的智能指针原理分析

下面的这张图，解释了智能指针的原理。

1.当从堆上申请了一个资源时，我们就创建一个智能指针对象，使它指向这个资源，同时，在堆上申请一个用于计数的资源，让后来所有的指向该资源的对象都共享这个计数资源，这样，引用计数的个数就只有一份。

2.当将ptr1对象赋值给对象ptr2时，其共享的引用计数变为2。

3.删除ptr2对象时，其对应的引用计数减为1。

4.删除ptr1对象时，引用计数变为0，则释放资源。

3 智能指针的一种实现方式

在写代码前，先明确下代码的目的：

首先，智能指针是一个类，这样就可以使用构造函数和析构函数对引用计数进行维护；

其次，它要表现出指针的行为，并且使用起来也要像普通指针一样；

最后，智能指针对任何类型都可以使用，所以它应该是一个模板。

在阅读代码的时候，可以参考智能指针原理图。

#pragma once

template
class SharedPointer
{
public:
    //默认构造函数，内部指针，未指向任何资源，引用计数为0,因为它未与任何资源绑定
    SharedPointer() :m_refCount(nullptr), m_pointer(nullptr){}
    
    //构造函数，初始化时，指向一个已经分配好的资源
    SharedPointer(T* adoptTarget) :m_refCount(nullptr), m_pointer(adoptTarget)
    {
        addReference();
    }
    
    //构造函数，使用其它对象创建新对象
    SharedPointer(const SharedPointer& copy)
        :m_refCount(copy.m_refCount), m_pointer(copy.m_pointer)
    {
        addReference();
    }
    
    //析构函数，引用计数递减，当为0时，释放资源
    virtual ~SharedPointer()
    {
        removeReference();
    }
    
    //赋值操作
    //当左值被赋值时，表明它不再指向所指的资源，故引用计数减一
    //之后，它指向了新的资源，所以对应这个资源的引用计数加一
    SharedPointer& operator=(const SharedPointer& that)
    {
        if (this != &that)
        {
            removeReference();
            this->m_pointer = that.m_pointer;
            this->m_refCount = that.m_refCount;
            addReference();
        }
        return *this;
    }
    
    //判断是否指向同一个资源
    bool operator==(const SharedPointer& other)
    {
        return m_pointer == other.m_pointer;
    }
    bool operator!=(const SharedPointer& other)
    {
        return !operator==(other);
    }
    
    //指针解引用
    T& operator*() const
    {
        return *m_pointer;
    }
    //调用所知对象的公共成员
    T* operator->() const
    {
        return m_pointer;
    }
    
    //获取引用计数个数
    int GetReferenceCount() const
    {
        if (m_refCount)
        {
            return *m_refCount;
        } 
        else
        {
            return -1;
        }
    }
    
protected:
    //当为nullpter时，创建引用计数资源，并初始化为1
    //否则，引用计数加1。
    void addReference()
    {
        if (m_refCount)
        {
            (*m_refCount)++;
        }
        else
        {
            m_refCount = new int(0);
            *m_refCount = 1;
        }
    }
    
    //引用计数减一，当变为0时，释放所有资源
    void removeReference()
    {
        if (m_refCount)
        {
            (*m_refCount)--;
            if (*m_refCount == 0)
            {
                delete m_refCount;
                delete m_pointer;
                m_refCount = 0;
                m_pointer = 0;
            }
        }
    }
    
private:
    int * m_refCount;
    T   * m_pointer;
};

4 测试

以下程序是对上述代码的测试，大家可以看看实际的运行效果

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "SharedPointer.h"

using namespace std;
class MyClass
{
public:
    ~MyClass()
    {
        cout << "释放MyClass(" << _id << ")\n";
    }
    
    MyClass(int i) :_id(i)
    {
        
    }
    
    void Print() const
    {
        cout << "MyClass(" << _id << ")" << endl;
    }
private:
    int _id;
};

int main()
{
    {
        MyClass* px = new MyClass(1);
        
        SharedPointer ap(px);
        SharedPointer bp = ap;
        SharedPointer cp;
        
        cout << "ap的引用计数(2): "
             << ap.GetReferenceCount() << endl;
        
        cout << "将ap赋值给cp\n";
        cp = ap;
        
        cout << "ap的引用计数(3): "
             << ap.GetReferenceCount() << endl;
        
        
        MyClass* qx = new MyClass(5);
        SharedPointer dp(qx);
        ap = dp;
        
        cout << "ap的引用计数(2): "
             << ap.GetReferenceCount() << endl;
        
        cout << "dp的引用计数(2): "
             << dp.GetReferenceCount() << endl;
        
        //"像指针一样使用智能指针"
        dp->Print();
        (*cp).Print();
    }
    
    cin.get();
}

运行结果：

我们跟踪测试程序，通过运行结果，查看引用计数的变化，并且，当计数为0时，自动释放资源。

好了，关于智能指针的原理示例程序就给大家介绍到这里了，以后再有面试官问你，就可以明明白白的给他解释了。其实，标准库中也有对应库实现shared_ptr。

智能指针虽然在一定程序上解决了裸指针存在的问题，但是还是有很多不足的地方，例如本例还缺少资源共享时的保护措施，环形引用等问题。