智能指针之共享指针shared_ptr 的理解、使用（全）

     好长一段时间没明白共享指针的理解和使用，今天认认真真查了一些资料，搞懂了很多。在这里整理了一下两个链接的内容。

主要参考链接：

       https://blog.csdn.net/u011866460/article/details/42027457

      https://blog.csdn.net/shaosunrise/article/details/85228823

 

       共享指针 (shared_ptr) 是现在的 Boost 库中提供的，并且应该是将来 C++1x 的标准库中提供的一个模板类。在此之前，ISO/IEC 14882:2003 标准库 中的“自动指针 (auto_ptr)”也有类似的功能。显然 shared_ptr 要比 auto_ptr 从功能上来说应该强大一些。这篇文章主要介绍 shared_ptr 的用法及注意事项。

1. shared_ptr 的功能

        shared_ptr 主要的功能是，管理动态创建的对象的销毁。它的基本原理就是记录对象被引用的次数，当引用次数为 0 的时候，也就是最后一个指向某对象的共享指针析构的时候，共享指针的析构函数就把指向的内存区域释放掉。

        与普通指针相比，共享指针对象重载了 * 、-> 和==运算符, 所以你可以像通常的指针一样使用它。没有重载+、-、++、--、[ ]等运算法。

2. shared_ptr 的原理

      它遵循共享所有权的概念，即不同的 shared_ptr 对象可以与相同的指针相关联，并在内部使用引用计数机制来实现这一点。
每个 shared_ptr 对象在内部指向两个内存位置：
      1、指向对象的指针。
      2、用于控制引用计数数据的指针。（这里的引用计数为指向该内存块的共享指针个数）
共享所有权如何在参考计数的帮助下工作：
     1、当新的 shared_ptr 对象与原共享指针关联时，则在其构造函数中，将与此指针关联的引用计数增加1。
     2、当任何 与之相关的shared_ptr 对象被析构时，例如局部函数调用结束，则在其析构函数中，它将关联指针的引用计数减1。如果引用计数变为0，则表示没有其他 shared_ptr 对象与此内存关联，在这种情况下，它使用delete函数删除堆中对应内存。

3. shared_ptr 所在库

3.1. 对于 Visual C++ 2010

     目前，Visual C++ 2010 的 库里，已经包含了 shared_ptr 模板类，也就是说，你可以直接这样写：

      #include 

3.2. 对于其它支持 ISO/IEC 14882:2003 标准的编译器

       而 GNU G++ 的标准库中还没有支持（毕竟是将来的标准），如果在 G++ 中想使用 shared_ptr, 还是得用到 Boost 库，就是说，在 G++ 里，你得这样写：

     #include 

4. shared_ptr 对象的构造

       保险起见，你应该仅从以下几种途径构造一个共享指针（以下例子中若没特殊说明，T 就代表共享指针所指向的对象的类型）：

4.1. 使用空参数构造函数构造

      也就是说，你可以直接定义一个 shared_ptr 而不指定构造函数的内容：

1	std::shared_ptr ptr;

      这样做的话，ptr 的意义就相当于一个 NULL 指针。当你试图在一个空指针上做类似于 *ptr 或者 ptr->xx 之类的东西的时候，应该会收到异常的。

4.2. 直接从 new 操作符的返回值构造

      用代码来表示，就是可以这样使用：

1	std::shared_ptr ptr(new T());

       上面这行代码在堆里创建了两块内存：1.存储T。2.用于引用计数的内存，管理附加此内存的shared_ptr对象的计数，最初计数将为1.

       因为带有参数的shared_ptr的复制构造函数（4.3）是explicit类型的，所以不能像这样 std::shared_ptr ptr = new T()；隐式调用它构造函数。

       但是链接里说构造新的shared_ptr对象的最佳方法是使用std::make_shared类模板。因为 1）它一次性为T对象和用于引用计数的数据都分配了内存，而new操作符只是为T分配了内存(没理解，求高人解答)。2）它可以避免一些由堆指针或者new分配指针导致的错误。

1	std::shared_ptr p1=std::make_shared ();

4.3. 使用复制构造函数（或等号重载），从其它 shared_ptr 的对象构造

       一种显然的情况是这样的：

1    2

std::shared_ptr ptr1(new T()); // 本行与 3.1. 中的构造方法是一样的，引用计数为1 std::shared_ptr ptr2(ptr1);    // 这就是使用复制构造函数的方法，会让引用计数加 1

       还有，shared_ptr 可以当作函数的参数传递，或者当作函数的返回值返回，这个时候其实也相当于使用复制构造函数。

       过程如下：作函数实参时，将指针执行复制构造函数传入函数体内，因此该内存块的引用计数+1；当作为函数返回值时，复制构造函数将内存地址传递给新指针，引用计数+1，然后，局部指针执行析构，引用计数-1。

4.4. 从 shared_ptr 提供的类型转换 (cast) 函数的返回值构造

        shared_ptr 也可以类型转换，有关类型转换的详情参见下面的 6. 此处假设 B 是 A 的子类，那么，根据C++继承与派生中的知识，B 的指针当然是可以转换成 A 的指针的。在共享指针里，应该这样做：

1   2

std::shared_ptr ptrb(new B()); std::shared_ptr ptra( dynamic_pointer_cast(ptrb) );  //本质还是复制构造

 

5. shared_ptr 的“赋值”

       shared_ptr 也可以直接赋值，但是必须是赋给相同类型的 shared_ptr 对象，而不能是普通的 C 指针或 new 运算符的返回值。当共享指针 a 被赋值成 b 的时候，如果 a 原来是 NULL, 那么直接让 a 等于 b 并且让它们指向的东西的引用计数加 1; 如果 a 原来也指向某些东西的时候，如果 a 被赋值成 b, 那么原来 a 指向的东西的引用计数被减 1, 而新指向的对象的引用计数加 1. 就是说以下代码是允许的：

1    2    3

std::shared_ptr a(new T()); std::shared_ptr b(new T()); a = b; // 此后 a 原先所指的对象会被销毁，b 所指的对象引用计数加 1

shared_ptr 的对象在构造之后，可以被赋予空值，此时使用的应该是 reset() 函数或者nullptr，如：

1   2   3

std::shared_ptr a(new T()); a.reset();         // 此后 a 原先所指的对象的引用计数-1，并且 a 会变成 NULL。这里内存会被销毁 a=nullptr;        //同上。推荐多用

当然理论上也可以这样写：

1   2

std::shared_ptr a(new T()); a = std::shared_ptr(); // ，相当于给 a 赋值一个新构造的 无名shared_ptr对象, 也就是 NULL

6. shared_ptr 的类型转换

       shared_ptr 有两种类型转换的函数，一个是 static_pointer_cast, 一个是 dynamic_pointer_cast. 其实用法真的和 C++ 提供的 static_cast 和 dynamic_cast 很像，再结合 4.4. 的代码和以下类似的代码，几乎没什么好讲的：

1   2   3

std::shared_ptr ptra; std::shared_ptr ptrb(new B()); ptra = dynamic_pointer_cast(ptrb);

7. 从 shared_ptr 的对象获得传统 C 指针

    很简单，可以这样用：

1     2

std::shared_ptr ptr(new T()); T *p = ptr.get(); // 获得传统 C 指针

     建议少用get()函数，因为如果在shared_ptr析构之前手动调用了delete函数，同样会导致类似的错误。

8. shared_ptr 的常见的其它用法（重要）

8.1 共享指针的重置

比如，“我想让一个已经构造好的共享指针，丢弃掉原来所指的对象（或者让其引用计数减 1），然后指向一个新的 new 出来的对象，该怎么办？”参考如下代码：

1       2

std::shared_ptr ptr(new T()); ptr.reset(new T()); // 原来所指的对象会被销毁

8.2 NULL检测
        当我们创建 shared_ptr 对象而不分配任何值时，它就是空的，即地址为000000000；普通指针不分配空间的时候相当于一个野指针，指向垃圾空间，且无法判断指向的是否是有用数据。
       shared_ptr 检测空值方法

1     2     3      4       5      6      7        8      9

std::shared_ptr ptr3; if(!ptr3)     std::cout<<"Yes, ptr3 is empty" << std::endl; if(ptr3 == NULL)     std::cout<<"ptr3 is empty" << std::endl; if(ptr3 == nullptr)     std::cout<<"ptr3 is empty" << std::endl; if(ptr3==0)     std::cout<<"ptr3 is empty" << std::endl;

 

9. shared_ptr 的错误用法

      一定要注意，本节所述所有方法，都是错误的！

9.1. 在“中途”使用传统 C 指针构造共享指针

      所谓在中途，指的就是不从 new 的返回值直接构造共享指针，比如从 this 指针构造自己的共享指针等。

9.2. 从一个对象的传统 C 指针，构造出两个或以上的共享指针

     其实这种和 9.1. 也是类似的，或者说，这种情况是 9.1. 的一种具体情况，比如，下面的代码是错误的：

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T *a = new T(); shared_ptr ptr1(a); shared_ptr ptr2(a);

    这样的话，ptr1 和 ptr2 的引用计数是单独算的，它们任意一个对象在析构的时候，都会销毁 a 所指的对象，a就为悬空指针，所以，这个对象会被“销毁两次”。因此报错。（make_shared类模板可以避免）

9.3 不要用栈中的指针构造shared_ptr对象

     shared_ptr默认的构造函数中使用的是delete来删除关联的内存，所以构造的时候也必须使用new出来的堆空间的指针。如果是栈中的指针，当shared_ptr对象超出作用域调用析构函数delete内存时，会报错。（make_shared类模板可以避免）

10. shared_ptr 的局限

     有关运行效率的问题在这里就不讨论了。其它方面，shared_ptr 的构造要求比较高，如果对象在创建的时候没有使用共享指针存储的话，之后也不能用共享指针管理这个对象了。如果有引用循环 (reference cycle), 也就是对象 a 有指向对象 b 的共享指针，对象 b 也有指向对象 a 的共享指针，那么它们都不会被析构。当然的，shared_ptr 也没有办法和 Garbage Collecting 比较，毕竟如果运行库能够干预，还是有算法可以检查到引用循环的。（例如求强连通分量的算法。）

     尤其，在类的成员函数的编写的时候，有时我们经常希望得到“自己”的共享指针，但是这往往是无法得到的。此时也不能够从 this 指针构造自己的共享指针（参见 9.1.），所以有时很憋闷。

11. 总结

     实际上上面这么多注意事项，中心思想就是一个：让 shared_ptr 正确地记录对象被引用次数。如果能悟出一点 shared_ptr 的工作原理，基本上不会弄出太危险的事情来。