智能指针

1.智能指针的使用及原理

1.1RAII
RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源(如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。
在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这样做有两大好处：

• 不需要显式地释放资源
• 采用这种方式，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。

1.2智能指针的原理

1. RAII特性
2. 重载operator*和operator->，具有像指针一样的行为。

1.3std::auto_ptr

//C++库中的智能指针都定义在memory这个头文件中
#include

class Date
{
public:
	Date(){cout<<"Date()"<<endl;}
	~Date(){cout<<"~Date()"<<endl;}
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	auto_ptr<Date> ap(new Date);
	auto_ptr<Date> copy(ap);
	//auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
	ap->_year=2019;
	return 0;
}

auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面模拟实现一份Autoptr

//模拟实现一份简单的Autoptr，了解原理
template<class T>
class AutoPtr
{
public:
	AutoPtr(T* ptr=NULL)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~AutoPtr()
	{
		if(_ptr)
			delete _ptr;
	}
	//一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后令ap与其所管理资源断开连接
	//这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序崩溃问题
	AutoPtr(AutoPtr<T>&ap)
			:_ptr(ap._ptr)
	{
			ap._ptr=NULL;
	}
	AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
	{
		//检测是否为自己给自己赋值
		if(this!=&ap)
		{
			//释放当前对象中资源
			if(_ptr)
				delete _ptr;
				//转移ap中资源到当前对象中
				_ptr=ap._ptr;
				ap._ptr=NULL;
				}
			return *this;
		}
		T& operator*() {return *_ptr;}
		T* operator->() { return _ptr;}
private:
	T* _ptr;
};
int main()
{
	AutoPtr<Date> ap(new Date);
	// 现在再从实现原理层来分析会发现，这里拷贝后把ap对象的指针赋空了，导致ap对象悬空
	// 通过ap对象访问资源时就会出现问题。
	AutoPtr<Date> copy(ap);
	ap->_year = 2018;
	return 0;
}

1.4 std::unique_ptr

int main()
{
unique_ptr<Date> up(new Date);
// unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。
unique_ptr<Date> copy(ap);
return 0;
}

unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，模拟实现一份unique_ptr

// 模拟实现一份简答的UniquePtr,了解原理
template<class T>
class UniquePtr
{
public:
	UniquePtr(T * ptr = nullptr)
	: _ptr(ptr)
	{}
~UniquePtr()
{
	if(_ptr)
	delete _ptr;
}
	T& operator*() {return *_ptr;}
	T* operator->() {return _ptr;}
private:
	// C++98防拷贝的方式：只声明不实现+声明成私有
	UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
	UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
	// C++11防拷贝的方式：delete
	UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
	UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;
private:
	T * _ptr;
};

1.5 std::shared_ptr

int main()
{
// shared_ptr通过引用计数支持智能指针对象的拷贝
shared_ptr<Date> sp(new Date);
shared_ptr<Date> copy(sp);
cout << "ref count:" << sp.use_count() << endl;
cout << "ref count:" << copy.use_count() << endl;
return 0;
}

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
2. 在对象被销毁时（也就是析构函数调用），就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放资源。
4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

// 模拟实现一份简答的SharedPtr,了解原理
#include 
#include 
template <class T>
class SharedPtr
{
public:
	SharedPtr(T* ptr = nullptr)
	: _ptr(ptr)
	, _pRefCount(new int(1))
	, _pMutex(new mutex)
	{}
~SharedPtr() {Release();}
SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
	: _ptr(sp._ptr)
	, _pRefCount(sp._pRefCount)
	, _pMutex(sp._pMutex)
	{
	AddRefCount();
	}
	// sp1 = sp2
SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
{
	//if (this != &sp)
	if (_ptr != sp._ptr)
{
// 释放管理的旧资源
Release();
// 共享管理新对象的资源，并增加引用计数
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pMutex = sp._pMutex;
AddRefCount();
}
return *this;
}
T& operator*() {return *_ptr;}
T* operator->() {return _ptr;}
int UseCount() {return *_pRefCount;}
T* Get() { return _ptr; }
void AddRefCount()
{
	// 加锁或者使用加1的原子操作
	_pMutex->lock();
	++(*_pRefCount);
	_pMutex->unlock();
}
private:
	void Release()
	{
	bool deleteflag = false;
	// 引用计数减1，如果减到0，则释放资源
	_pMutex.lock();
	if (--(*_pRefCount) == 0)
	{
	delete _ptr;
	delete _pRefCount;
	deleteflag = true;
	}
_pMutex.unlock();
if(deleteflag == true)
delete _pMutex;
}
private:
	int* _pRefCount; // 引用计数
	T* _ptr; // 指向管理资源的指针
	mutex* _pMutex; // 互斥锁
};
int main()
{
	SharedPtr<int> sp1(new int(10));
	SharedPtr<int> sp2(sp1);
	*sp2 = 20;
	cout << sp1.UseCount() << endl;
	cout << sp2.UseCount() << endl;

	SharedPtr<int> sp3(new int(10));
	sp2 = sp3;
	cout << sp1.UseCount() << endl;
	cout << sp2.UseCount() << endl;
	cout << sp3.UseCount() << endl;
	sp1 = sp3;
	cout << sp1.UseCount() << endl;
	cout << sp2.UseCount() << endl;
	cout << sp3.UseCount() << endl;
	return 0;
}

shared_ptr需要注意的线程安全问题：

1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或- -，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2，这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以智能指针中引用计数++，- -是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
2. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。