[C++]智能指针的原理与使用
1、智能指针的原理及作用
C++程序中不仅包含静态内存和栈内存，还有一个内存池，内存池中的内存被称为自由空间或者堆。程序通常使用堆来存储动态分配的对象（程序运行时分配的对象），当动态对象不再被使用时，代码必须显式的将它们销毁。动态内存的管理是通过运算符new和delete完成的。
new运算符：在动态内存中为对象分配一块空间并返回一个指向该对象的指针。
int i;
int *p0 = &i;
int *p1 = new int; //指向一个动态分配的、未初始化的无名对象
int *p2 = new int(2); //*p2初始化值为2
int *p3 = new int[1000]; //申请1000个单位的内存空间delete运算符：指向一个动态对象的指针，销毁对象并释放与其相关联的内存。在delete之后，指针变成了悬空指针（指向一块曾经保存数据对象但现在已经无效的内存地址）。想要避免悬空指针，需要在delete之后将nullptr赋值给指针变量，这样就清楚的指出指针不指向任何对象。
delete p0; //error, p0指针不是用new动态申请的
delete p1;
p1 = nullptr;
delete p2;
p2 = nullptr;
delete[] p3; //在用new申请时用了[]，所以在delete时也要用[]使用new和delete运算符进行动态内存的管理虽然可以提高程序的效率，但是也非常容易出问题。
（1）忘记释放内存，造成内存泄漏
（2）在尚有指针引用内存的情况下就将其释放，产生引用非法内存的指针
（3）程序发生异常后进入catch忘记释放内存以及多次释放同一块内存，造成内存泄漏
为了让动态内存的使用更加安全、简便，C++引入了智能指针的概念。什么是智能指针？智能指针是借用RAII技术对普通指针进行封装，其实质是一个对象，行为表现为一个指针，也就是智能的管理动态内存的释放。那RAII技术具体又是什么呢？RAII技术（Resource Acquisition Is Initialization），也称为“资源获取就是初始化”，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的惯用法。使用类来封装资源的分配和初始化，在构造函数中完成资源的分配和初始化，在析构函数中完成资源的清理，可以保证正确的初始化和资源释放。
2、智能指针的分类和使用
C++11版本之后提供的智能指针包含在头文件
2.1 shared_ptr
shared_ptr是一种强引用指针，允许多个指针指向相同的对象，是一个标准的共享所有权的智能指针。每个shared_ptr都会有一个计数器与之相关联，通常称其为引用计数。下面，我们简单介绍下shared_ptr的用法：
（1）初始化
可以使用构造函数初始化（指定类型，传入指针即可），也可以使用make_shared函数初始化（最安全的方法，推荐使用）
std::shared_ptr sp; //空shared_ptr，可以指向类型为T的对象
std::shared_ptr sp(new int(5)); //指定类型，传入指针通过构造函数初始化
std::shared_ptr sp = std::make_shared(5); //使用make_shared函数初始化
//智能指针是一个模板类，不能将一个原始指针直接赋值给一个智能指针，因为一个是类，一个是指针
std::shared_ptr sp = new int(1); //error
//shared_ptr不能直接支持动态数组，需要显示指定删除器
std::shared_ptr sp(new int[10], [](int* p){delete[] p;}); //指定delete[]
std::shared_ptr sp(new int[10], std::default_delete()); //指定std::default_delete （2）拷贝和赋值
当拷贝一个shared_ptr时，内部的引用计数加1；当给shared_ptr赋值或shared_ptr被销毁时，内部的引用计数减1；当引用计数减为0时将会自动释放自己所管理的对象。
std::shared_ptr sp = std::make_shared(5); //sp指向的int对象只有一个引用者，引用计数为1
std::shared_ptr spCopy(sp); //spCopy是sp的拷贝，此操作会递增sp指向对象的引用计数
std::shared_ptr sp1 = std::make_shared(6);
sp = sp1; //给sp赋值，使它指向另一个地址，此操作会递增sp1指向对象的引用计数，递减sp原来指向对象的引用计数 （3）自动释放所管理的对象以及相关联的内存
shared_ptr是通过其析构函数来完成自动释放的工作。shared_ptr的析构函数会递减其所指向对象的引用计数，当引用计数变为0时，析构函数就会销毁对象并释放其所占用的内存。注意：若将shared_ptr存放于一个容器中，而后只使用其中部分元素，不再需要全部元素时，千万记得用erase删除不在需要的那些元素。
（4）和普通指针的混合使用
2.2 unique_ptr
顾名思义，unique_ptr唯一拥有其所指的对象，在同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象，因此unique_ptr不支持普通的拷贝和赋值操作。下面，我们简单介绍下unique_ptr的用法：
（1）初始化
unique_ptr不像shared_ptr一样拥有make_shared函数来创建一个shared_ptr实例。因此我们需要将一个new操作符返回的指针传递给unique_ptr的构造函数来完成初始化。unique_ptr提供了对动态数组的支持，指定删除器是一个可选项。
std::unique_ptr up; //空unique_ptr，可以指向类型为T的对象，up会使用delete来释放它的指针
std::unique_ptr up(new int(5)); //绑定动态对象
std::unique_ptr up(new int[5]); //可选择是否指定删除器
（2）拷贝和赋值
unique_ptr没有copy构造函数，不支持普通的拷贝和赋值操作；但却提供了一种移动机制来将指针的所有权从一个unique_ptr转移给另一个unique_ptr（使用std::move函数，也可以调用release或reset）。
std::move：获取一个绑定到左值上的右值引用
u.release：u放弃对指针的控制权，返回指针，并将u置为空
u.reset：释放u指向的对象
u.reset(q)：如果提供了内置指针q，令u指向这个对象，否则将u置为空
std::unique_ptr up(new int(5));
std::unique_ptr upCopy(up); //error，不能拷贝
std::unique_ptr upAssign = up; //error，不能赋值
std::unique_ptr upMove = std::move(up); //转移所有权
std::cout << *up << std::endl; //error，up经过std::move后为空
std::unique_ptr up1(new int(5));
std::unique_ptr up2(up1.release()); //up2被初始化为up1原来保存的指针，且up1置为空
std::unique_ptr up3(new int(6));
up2.reset(up3.release()); //reset释放了up2原来指向的内存，指向up3原来保存的指针，且将up3置为空
（3）使用场景
unique_ptr适用范围比较广泛，它可返回函数内动态申请资源的所有权；可在容器中保存指针；支持动态数组的管理。
std::unique_ptr CloneUniquePtr(int p)
{
std::unique_ptr up(new int(p));
return up; //返回unique_ptr
}
int main()
{
//返回函数内动态申请资源的所有权，函数结束后，自动释放资源
int p = 5;
std::unique_ptr up = CloneUniquePtr(p);
std::cout << *up << std::endl;
//在容器中保存指针
std::vector> vecIntPtr;
std::unique_ptr up1(new int(5));
vecIntPtr.push_back(std::move(up1)); //注意要使用std::move
//支持动态数组
std::unique_ptr up2(new int[5] {1, 2, 3, 4, 5});
up2[0] = 0; //重载了operation[]
} 2.3 weak_ptr
weak_ptr是一种弱引用指针，它是伴随shared_ptr而来的，不具有普通指针的行为。它主要是解决了shared_ptr引用计数的问题：在循环引用时会导致内存泄漏的问题。
（1）初始化
weak_ptr指向一个由shared_ptr管理的对象，将一个weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。
std::weak_ptr wp; //空weak_ptr，可以指向类型为T的对象
std::weak_ptr wp(new int(5)); //使用weak_ptr对象构造
std::shared_ptr sp = std::make_shared(6);
std::weak_ptr wp(sp); // 使用shared_ptr对象构造 （2）成员函数
wp.use_count():与该wp共享的shared_ptr的数量
wp.expired():如果wp.use_count() == 0，返回true，否则返回false
lock():如果wp.expired()为true，返回一个空shared_ptr，否则返回一个指向wp对象的shared_ptr
成员函数的使用如下：
std::shared_ptr sp = std::make_shared(5);
std::weak_ptr wp(sp);
std::cout << wp.use_count() << std::endl;
if(!wp.expired())
{
std::shared_ptr sp2 = wp.lock();
std::cout << *sp2 << std::endl;
}