智能指针-使用、避坑和实现
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智能指针的由来
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auto_ptr为什么被废弃
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unique_ptr的使用、特点以及实现
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shared_ptr的使用、特点以及实现
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weak_ptr的使用、特点以及实现
背景
内存的分配与回收都是由开发人员在编写代码时主动完成的，好处是内存管理的开销较小，程序拥有更高的执行效率；弊端是依赖于开发者的水平，随着代码规模的扩大，极容易遗漏释放内存的步骤，或者一些不规范的编程可能会使程序具有安全隐患。如果对内存管理不当，可能导致程序中存在内存缺陷，甚至会在运行时产生内存故障错误。换句话说，开发者自己管理内存，最容易发生下面两种情况：
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申请了内存却没有释放，造成内存泄漏
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使用已经释放的内存，造成
segment fault
所以，为了在保证性能的前提下，又能使得开发者不需要关心内存的释放，进而使得开发者能够将更多的精力投入到业务上，自C++11开始，STL正式引入了智能指针。
所有权
智能指针一个很关键的一个点就是是否拥有一个对象的所有权，当我们通过std::make_xxx或者new一个对象，那么就拥有了这个对象的所有权。
所有权分为独占所有权、共享所有权以及弱共享所有权三种。
独占所有权
顾名思义，独占该对象。独占的意思就是不共享，所有权可以转移，但是转移之后，所有权也是独占。auto_ptr和unique_ptr就是一种独占所有权方式的智能指针。
假设有个Object对象，如果A拥有该对象的话，就需要保证其在不使用该对象的时候，将该对象释放；而此时如果B也想拥有Object对象，那么就必须先让A放弃该对象所有权，然后B独享该对象，那么该对象的使用和释放就只归B所有，跟A没有关系了。
独占所有权具有以下几个特点：
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如果创建或者复制了某个对象，就拥有了该对象
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如果没有创建对象，而是将对象保留使用，同样拥有该对象的所有权
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如果你拥有了某个对象的所有权，在不需要某一个对象时，需要释放它们
共享所有权
共享所有权，与独占所有权正好相反，对某个对象的所有权可以共享。shared_ptr就是一种共享所有权方式的智能指针。
假设此时A拥有对象Object，在没有其它拥有该对对象的情况下，对象的释放由A来负责；如果此时B也想拥有该对象，那么对象的释放由最后一个拥有它的来负责。
举一个我们经常遇到的例子，socket连接，多个发送端(sender)可以使用其发送和接收数据。
弱共享所有权
弱共享所有权，指的是可以使用该对象，但是没有所有权，由真正拥有其所有权的来负责释放。weak_ptr就是一种弱共享所有权方式的智能指针。
分类
在C++11中，有unique_ptr、shared_ptr以及weak_ptr三种，auto_ptr因为自身转移所有权的原因，在C++11中被废弃(本节最后，将简单说下被废弃的原因)。
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unique_ptr
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使用上限制最多的一种智能指针，被用来取代之前的auto_ptr，一个对象只能被一个unique_ptr所拥有，而不能被共享，如果需要将其所拥有的对象转移给其他unique_ptr，则需要使用move语义
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shared_ptr
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与unique_ptr不同的是，unique_ptr是
独占管理权，而shared_ptr则是共享管理权，即多个shared_ptr可以共用同一块关联对象，其内部采用的是引用计数，在拷贝的时候，引用计数+1，而在某个对象退出作用域或者释放的时候，引用计数-1，当引用计数为0的时候，会自动释放其管理的对象。
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weak_ptr
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weak_ptr的出现，主要是为了解决shared_ptr的
循环引用，其主要是与shared_ptr一起来使用。和shared_ptr不同的地方在于，其并不会拥有资源，也就是说不能访问对象所提供的成员函数，不过，可以通过weak_ptr.lock()来产生一个拥有访问权限的shared_ptr。
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auto_ptr
auto_ptr自C++98被引入，因为其存在较多问题，所以在c++11中被废弃，自C++17开始正式从STL中移除。
首先我们看下auto_ptr的简单实现(为了方便阅读，进行了修改，基本功能类似于std::auto_ptr)：
template
class auto_ptr
{
T* p;
public:
auto_ptr(T* s) :p(s) {}
~auto_ptr() { delete p; }
auto_ptr(auto_ptr& a) {
p = a.p;
a.p = NULL;
}
auto_ptr& operator=(auto_ptr& a) {
delete p;
p=a.p;
a.p = NULL;
return *this;
}
T& operator*() const { return *p; }
T* operator->() const { return p; }
}; 从上面代码可以看出，auto_ptr采用copy语义来转移所有权，转移之后，其关联的资源指针设置为NULL，而这跟我们理解上copy行为不一致。
在<< Effective STL >>第8条，作者提出永不建立auto_ptr的容器，并以一个例子来说明原因，感兴趣的可以去看看这本书，还是不错的。
实际上，auto_ptr被废弃的直接原因是拷贝造成所有权转移，如下代码：
auto_ptr a(new ClassA);
auto_ptr b = a;
a->Method();
在上述代码中，因为b = a导致所有权被转移，即a关联的对象为NULL，如果再调用a的成员函数，显然会造成coredump。
正是因为拷贝导致所有权被转移，所以auto_ptr使用上有很多限制：
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不能在STL容器中使用，因为复制将导致数据无效
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一些STL算法也可能导致auto_ptr失效，比如std::sort算法
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不能作为函数参数，因为这会导致复制，并且在调用后，导致原数据无效
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如果作为类的成员变量，需要注意在类拷贝时候导致的数据无效
正是因为auto_ptr的诸多限制，所以自C++11起，废弃了auto_ptr，引入unique_ptr。
unique_ptr
unique_ptr是C++11提供的用于防止内存泄漏的智能指针中的一种实现(用来替代auto_ptr)，独享被管理对象指针所有权的智能指针。
unique_ptr对象包装一个原始指针，并负责其生命周期。当该对象被销毁时，会在其析构函数中删除关联的原始指针。具有->和*运算符重载符，因此它可以像普通指针一样使用。
分类
unique_ptr分为以下两种：
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指向单个对象
std::unique_ptr p1; // p1关联Type对象 -
指向一个数组
unique_ptr p2; // p2关联Type对象数组 特点
在前面的内容中，我们已经提到了unique_ptr的特点，主要具有以下：
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独享所有权，在作用域结束时候，自动释放所关联的对象
void fun() {
unique_ptr a(new int(1));
} 无法进行拷贝与赋值操作
unique_ptr ptr(new int(1));
unique_ptr ptr1(ptr) ; // error
unique_ptr ptr2 = ptr; //error 显示的所有权转移(通过move语义)
unique_ptr ptr(new int(1));
unique_ptr ptr1 = std::move(ptr) ; // ok 作为容器元素存储在容器中
unique_ptr ptr(new int(1));
std::vector> v;
v.push_back(ptr); // error
v.push_back(std::move(ptr)); // ok
std::cout << *ptr << std::endl;// error 需要注意的是，自c++14起，可以使用下面的方式对unique_ptr进行初始化：
auto p1 = std::make_unique(3.14);
auto p2 = std::make_unique(n); 如果在c++11中使用上述方法进行初始化，会得到下面的错误提示:
error: ‘make_unique’ is not a member of ‘std’因此，如果为了使得c++11也可以使用std::make_unique，我们可以自己进行封装，如下：
namespace details {
#if __cplusplus >= 201402L // C++14及以后使用STL实现的
using std::make_unique;
#else
template
std::unique_ptr make_unique(Args &&... args)
{
return std::unique_ptr(new T(std::forward(args)...));
}
#endif
} // namespace details
使用
为了尽可能了解unique_ptr的使用姿势，我们使用以下代码为例：
#include
#include // std::move
void fun1(double *);
void fun2(std::unique *);
void fun3(std::unique &);
void fun4(std::unique );
int main() {
std::unique_ptr p(new double(3.14));
fun1(p.get());
fun2(&p);
fun3(p);
if (p) {
std::cout << "is valid" << std::endl;
}
auto p2(p.release()); // 转移所有权
auto p2.reset(new double(1.0));
fun4(std::move(p2));
return 0;
} 上述代码，基本覆盖了常见的unique_ptr用法：
-
第10行，通过new
创建一个unique_ptr对象 -
第11行，通过get()函数获取其关联的
原生指针 -
第12行，通过unique_ptr对象的
指针进行访问 -
第13行，通过unique_ptr对象的
引用进行访问 -
第16行，通过if(p)来判断其是否
有效 -
第18行，通过release函数
释放所有权，并将所有权进行转移 -
第19行，通过reset
释放之前的原生指针，并重新关联一个新的指针 -
第20行，通过std::move
转移所有权
简单实现
本部分只是基于源码的一些思路，便于理解，实现的一个简单方案，如果想要阅读源码，请点击unique_ptr查看。
基本代码如下：
template
class unique_ptr
{
T* p;
public:
unique_ptr() :p() {}
unique_ptr(T* s) :p(s) {}
~unique_ptr() { delete p; }
unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;
unique_ptr(unique_ptr&& s) :p(s.p) { s.p = nullptr }
unique_ptr& operator=(unique_ptr s)
{ delete p; p = s.p; s.p=nullptr; return *this; }
T* operator->() const { return p; }
T& operator*() const { return *p; }
};
从上面代码基本可以看出，unique_ptr的控制权转移是通过move语义来实现的，相比于auto_ptr的拷贝语义转移所有权，更为合理。
shared_ptr
unique_ptr因为其局限性(独享所有权)，一般很少用于多线程操作。在多线程操作的时候，既可以共享资源，又可以自动释放资源，这就引入了shared_ptr。
shared_ptr为了支持跨线程访问，其内部有一个引用计数(线程安全)，用来记录当前使用该资源的shared_ptr个数，在结束使用的时候，引用计数为-1，当引用计数为0时，会自动释放其关联的资源。
特点
相对于unique_ptr的独享所有权，shared_ptr可以共享所有权。其内部有一个引用计数，用来记录共享该资源的shared_ptr个数，当共享数为0的时候，会自动释放其关联的资源。
shared_ptr不支持数组，所以，如果用shared_ptr指向一个数组的话，需要自己手动实现deleter，如下所示：
std::shared_ptr p(new int[8], [](int *ptr){delete []ptr;}); 使用
仍然以一段代码来说明，毕竟代码更有说服力。
#include
#include
int main() {
// 创建shared_ptr对象
std::shared_ptr p1 = std::make_shared();
*p1 = 78;
std::cout << "p1 = " << *p1 << std::endl;
// 打印引用计数
std::cout << "p1 Reference count = " << p1.use_count() << std::endl;
std::shared_ptr p2(p1);
// 打印引用计数
std::cout << "p2 Reference count = " << p2.use_count() << std::endl;
std::cout << "p1 Reference count = " << p1.use_count() << std::endl;
if (p1 == p2)
{
std::cout << "p1 and p2 are pointing to same pointer\n";
}
std::cout<<"Reset p1 "< 输出如下：
p1 = 78
p1 Reference count = 1
p2 Reference count = 2
p1 Reference count = 2
p1 and p2 are pointing to same pointer
Reset p1
p1 Reference Count = 0
p1 Reference Count = 1
p1 Reference Count = 0
p1 is NULL上面代码基本罗列了shared_ptr的常用方法，对于其他方法，可以参考源码或者官网。
线程安全
可能很多人都对shared_ptr是否线程安全存在疑惑，借助本节，对线程安全方面的问题进行分析和解释。
shared_ptr的线程安全问题主要有以下两种：
-
引用计数的加减操作是否线程安全 -
shared_ptr修改指向时是否线程安全
引用计数
shared_ptr中有两个指针，一个指向所管理数据的地址，另一个一个指向执行控制块的地址。
执行控制块包括对关联资源的引用计数以及弱引用计数等。在前面我们提到shared_ptr支持跨线程操作，引用计数变量是存储在堆上的，那么在多线程的情况下，指向同一数据的多个shared_ptr在进行计数的++或--时是否线程安全呢？
引用计数在STL中的定义如下：
_Atomic_word _M_use_count; // #shared
_Atomic_word _M_weak_count; // #weak + (#shared != 0)当对shared_ptr进行拷贝时，引入计数增加，实现如下：
template<>
inline void
_Sp_counted_base<_S_atomic>::
_M_add_ref_lock() {
// Perform lock-free add-if-not-zero operation.
_Atomic_word __count;
do
{
__count = _M_use_count;
if (__count == 0)
__throw_bad_weak_ptr();
}
while (!__sync_bool_compare_and_swap(&_M_use_count, __count,
__count + 1));
}最终，计数的增加，是调用__sync_bool_compare_and_swap实现的，而该函数是线程安全的，因此我们可以得出结论：在多线程环境下，管理同一个数据的shared_ptr在进行计数的增加或减少的时候是线程安全的，这是一波原子操作。
修改指向
修改指向分为操作同一个对象和操作不同对象两种。
同一对象
以下面代码为例：
void fun(shared_ptr &p) {
if (...) {
p = p1;
} else {
p = p2;
}
} 当在多线程场景下调用该函数时候，p之前的引用计数要进行-1操作，而p1对象的引用计数要进行+1操作，虽然这俩的引用计数操作都是线程安全的，但是对这俩对象的引用计数的操作在一起时候却不是线程安全的。这是因为当对p1的引用计数进行+1时候，恰恰前一时刻，p1的对象被释放，后面再进行+1操作，会导致segment fault。
不同对象
代码如下：
void fun1(std::shared_ptr &p) {
p = p1;
}
void fun2(std::shared_ptr &p) {
p = p2;
}
int main() {
std::shared_ptr p = std::make_shared();
auto p1 = p;
auto p2 = p;
std::thread t1(fun1, p1);
std::thread t2(fun2, p2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
} 在上述代码中，p、p1、p2指向同一个资源，分别有两个线程操作不同的shared_ptr对象(虽然关联的底层资源是同一个)，这样在多线程下，只对p1和p2的引用计数进行操作，不会引起segment fault，所以是线程安全的。
同一个shared_ptr被多个线程
同时读是安全的同一个shared_ptr被多个线程同时
❞读写是不安全的
简单实现
本部分只是基于源码的一些思路，便于理解，实现的一个简单方案，如果想要阅读源码，请点击shared_ptr查看。
记得之前看过一个问题为什么引用计数要new，这个问题我在面试的时候也问过，很少有人能够回答出来，其实，很简单，因为要支持多线程访问，所以只能要new呀。
代码如下：
template
class weak_ptr;
class Counter {
public:
Counter() = default;
int s_ = 0; // shared_ptr的计数
int w_ = 0; // weak_ptr的计数
};
template
class shared_ptr {
public:
shared_ptr(T *p = 0) : ptr_(p) {
cnt_ = new Counter();
if (p) {
cnt_->s_ = 1;
}
}
~shared_ptr() {
release();
}
shared_ptr(shared_ptr const &s) {
ptr_ = s.ptr_;
(s.cnt)->s_++;
cnt_ = s.cnt_;
}
shared_ptr(weakptr_ const &w) {
ptr_ = w.ptr_;
(w.cnt_)->s_++;
cnt_ = w.cnt_;
}
shared_ptr &operator=(shared_ptr &s) {
if (this != &s) {
release();
(s.cnt_)->s_++;
cnt_ = s.cnt_;
ptr_ = s.ptr_;
}
return *this;
}
T &operator*() {
return *ptr_;
}
T *operator->() {
return ptr_;
}
friend class weak_ptr;
protected:
void release() {
cnt_->s_--;
if (cnt_->s_ < 1)
{
delete ptr_;
if (cnt_->w_ < 1)
{
delete cnt_;
cnt_ = NULL;
}
}
}
private:
T *ptr_;
Counter *cnt_;
}; weak_ptr
在三个智能指针中，weak_ptr是存在感最低的一个，也是最容易被大家忽略的一个智能指针。它的引入是为了解决shared_ptr存在的一个问题循环引用。
特点
-
不具有普通指针的行为，没有重载operator*和operator->
-
没有共享资源，它的构造不会引起引用计数增加
-
用于协助shared_ptr来解决循环引用问题
-
可以从一个shared_ptr或者另外一个weak_ptr对象构造，进而可以间接获取资源的弱共享权。
使用
int main() {
std::shared_ptr p1 = std::make_shared(14);
{
std::weak_ptr weak = p1;
std::shared_ptr new_shared = weak.lock();
shared_e1 = nullptr;
new_shared = nullptr;
if (weak.expired()) {
std::cout << "weak pointer is expired" << std::endl;
}
new_shared = weak.lock();
std::cout << new_shared << std::endl;
}
return 0;
} 上述代码输出如下：
weak pointer is expired
0-
使用成员函数use_count()和expired()来获取资源的引用计数，如果返回为0或者false，则表示关联的资源不存在
-
使用lock()成员函数获得一个可用的shared_ptr对象，进而操作资源
-
当expired()为true的时候，lock()函数将返回一个空的shared_ptr
简单实现
template
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr() = default;
weak_ptr(shared_ptr &s) : ptr_(s.ptr_), cnt(s.cnt_) {
cnt_->w_++;
}
weak_ptr(weak_ptr &w) : ptr_(w.ptr_), cnt_(w.cnt_) {
cnt_->w_++;
}
~weak_ptr() {
release();
}
weak_ptr &operator=(weak_ptr &w) {
if (this != &w) {
release();
cnt_ = w.cnt_;
cnt_->w_++;
ptr_ = w.ptr_;
}
return *this;
}
weak_ptr &operator=(shared_ptr &s)
{
release();
cnt_ = s.cnt_;
cnt_->w_++;
ptr_ = s.ptr_;
return *this;
}
shared_ptr lock() {
return shared_ptr(*this);
}
bool expired() {
if (cnt) {
if (cnt->s_ > 0) {
return false;
}
}
return true;
}
friend class shared_ptr;
protected:
void release() {
if (cnt_) {
cnt_->w_--;
if (cnt_->w_ < 1 && cnt_->s_ < 1) {
cnt_ = nullptr;
}
}
}
private:
T *ptr_ = nullptr;
Counter *cnt_ = nullptr;
}; 循环引用
在之前的文章内存泄漏-原因、避免以及定位中，我们讲到使用weak_ptr来配合shared_ptr使用来解决循环引用的问题，借助本文，我们深入说明下如何来解决循环引用的问题。
代码如下：
class Controller {
public:
Controller() = default;
~Controller() {
std::cout << "in ~Controller" << std::endl;
}
class SubController {
public:
SubController() = default;
~SubController() {
std::cout << "in ~SubController" << std::endl;
}
std::shared_ptr controller_;
};
std::shared_ptr sub_controller_;
}; 在上述代码中，因为controller和sub_controller之间都有一个指向对方的shared_ptr，这样就导致任意一个都因为对方有一个指向自己的对象，进而引用计数不能为0。
为了解决std::shared_ptr循环引用导致的内存泄漏，我们可以使用std::weak_ptr来单面去除上图中的循环。
class Controller {
public:
Controller() = default;
~Controller() {
std::cout << "in ~Controller" << std::endl;
}
class SubController {
public:
SubController() = default;
~SubController() {
std::cout << "in ~SubController" << std::endl;
}
std::weak_ptr controller_;
};
std::shared_ptr sub_controller_;
}; 在上述代码中，我们将SubController类中controller_的类型从std::shared_ptr变成std::weak_ptr。
那么，为什么将SubController中的shared_ptr换成weak_ptr就能解决这个问题呢？我们看下源码：
template
__weak_ptr&
operator=(const __shared_ptr<_Tp1, _Lp>& __r) // never throws
{
_M_ptr = __r._M_ptr;
_M_refcount = __r._M_refcount;
return *this;
} 在上面代码中，我们可以看到，将一个shared_ptr赋值给weak_ptr的时候，其引用计数并没有+1，所以也就解决了循环引用的问题。
那么，如果我们想要使用shared_ptr关联的对象进行操作时候，该怎么做呢？使用weak_ptr::lock()函数来实现，源码如下：
__shared_ptr<_Tp, _Lp>
lock() const {
return expired() ? __shared_ptr() : __shared_ptr(*this);
} 从上面代码可看出，使用lock()函数生成一个shared_ptr供使用，如果之前的shared_ptr已经被释放，那么就返回一个空shared_ptr对象，否则生成shared_ptr对象的拷贝(这样即使之前的释放也不会存在问题)。
经验之谈
不要混用
指针之间的混用，有时候会造成不可预知的错误，所以建议尽量不要混用。包括裸指针和智能指针以及智能指针之间的混用
裸指针和智能指针混用
代码如下：
void fun() {
auto ptr = new Type;
std::shared_ptr t(ptr);
delete ptr;
} 在上述代码中，将ptr所有权归shared_ptr所拥有，所以在出fun()函数作用域的时候，会自动释放ptr指针，而在函数末尾又主动调用delete来释放，这就会造成double delete，会造成segment fault。
智能指针混用
代码如下：
void fun() {
std::unique_ptr t(new Type);
std::shared_ptr t1(t.get());
} 在上述代码中，将t关联的对象又给了t1，也就是说同一个对象被两个智能指针所拥有，所以在出fun()函数作用域的时候，二者都会释放其关联的对象，这就会造成double delete，会造成segment fault。
需要注意的是，下面代码在STL中是支持的：
void fun() {
std::unique_ptr t(new Type);
std::shared_ptr t1(std::move(t));
} 不要管理同一个裸指针
代码如下：
void fun() {
auto ptr = new Type;
std::unique_ptr t(ptr);
std::shared_ptr t1(ptr);
} 在上述代码中，ptr所有权同时给了t和t1，也就是说同一个对象被两个智能指针所拥有，所以在出fun()函数作用域的时候，二者都会释放其关联的对象，这就会造成double delete，会造成segment fault。
避免使用get()获取原生指针
void fun(){
auto ptr = std::make_shared();
auto a= ptr.get();
std::shared_ptr t(a);
delete a;
} 一般情况下，生成的指针都要显式调用delete来进行释放，而上述这种，很容易稍不注意就调用delete；非必要不要使用get()获取原生指针。
不要管理this指针
class Type {
private:
void fun() {
std::shared_ptr t(this);
}
}; 在上述代码中，如果Type在栈上，则会导致segment fault，堆上视实际情况(如果在对象在堆上生成，那么使用合理的话，是允许的)。
只管理堆上的对象
void fun() {
Type t;
std::shared_ptr ptr(&t);
}; 在上述代码中，t在栈上进行分配，在出作用域的时候，会自动释放。而ptr在出作用域的时候，也会调用delete释放t，而t本身在栈上，delete一个栈上的地址，会造成segment fault。
优先使用unique_ptr
根据业务场景，如果需要资源独占，那么建议使用unique_ptr而不是shared_ptr，原因如下：
-
性能优于shared_ptr
-
因为shared_ptr在拷贝或者释放时候，都需要操作引用计数
-
-
内存占用上小于shared_ptr
-
shared_ptr需要维护它指向的对象的线程安全引用计数和一个控制块，这使得它比unique_ptr更重量级
-
使用make_shared初始化
我们看下常用的初始化shared_ptr两种方式，代码如下：
std::shared_ptr p1 = new Type;
std::shared_ptr p2 = std::make_shared(); 那么，上述两种方法孰优孰劣呢？我们且从源码的角度进行分析。
第一种初始化方法，有两次内存分配：
-
new Type分配对象
-
为p1分配控制块(control block)，控制块用于存放引用计数等信息
我们再看下make_shared源码：
template inline
shared_ptr<_Ty> make_shared(_Types&&... _Args)
{ // make a shared_ptr
_Ref_count_obj<_Ty> *_Rx =
new _Ref_count_obj<_Ty>(_STD forward<_Types>(_Args)...);
shared_ptr<_Ty> _Ret;
_Ret._Resetp0(_Rx->_Getptr(), _Rx);
return (_Ret);
} 这里的_Ref_count_obj类包含成员变量:
-
控制块
-
一个内存块，用于存放智能指针管理的资源对象
再看看_Ref_count_obj的构造函数:
template
_Ref_count_obj(_Types&&... _Args)
: _Ref_count_base()
{ // construct from argument list
::new ((void *)&_Storage) _Ty(_STD forward<_Types>(_Args)...);
} 此处虽然也有一个new操作，但是此处是placement new，所以不存在内存申请。
从上面分析我们可以看出，第一种初始化方式(new方式)共有两次内存分配操作，而第二种初始化方式(make_shared)只有一次内存申请，所以建议使用make_shared方式进行初始化。
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