【C++】智能指针详解
参考：
- https://www.cnblogs.com/WindSun/p/11444429.html
- https://www.cnblogs.com/wxquare/p/4759020.html
一、智能指针原理
C++程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。
从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象。当栈对象的生存周期结束后，会在析构函数中释放掉申请的内存，从而防止内存泄漏。
智能指针的作用是管理一个指针，因为存在以下这种情况：申请的空间在函数结束时忘记释放，造成内存泄漏。使用智能指针可以很大程度上的避免这个问题，因为智能指针是一个类，当超出了类的实例对象的作用域时，会自动调用对象的析构函数，析构函数会自动释放资源。所以智能指针的作用原理就是在函数结束时自动释放内存空间，不需要手动释放内存空间。
二、智能指针的使用
智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。
shared_ptr允许多个指针指向同一个对象，unique_ptr则“独占”所指向的对象。标准库还定义了一种名为weak_ptr的伴随类，它是一种弱引用，指向shared_ptr所管理的对象。
2.1 shared_ptr的使用
C++ 11中最常用的智能指针类型为shared_ptr。从名字share就可以看出了资源可以被多个指针共享，它使用计数机制来表明资源被几个指针共享。可以通过成员函数use_count()来查看资源的所有者个数。除了可以通过new来构造，还可以通过传入auto_ptr, unique_ptr, weak_ptr来构造。当我们调用release()时，当前指针会释放资源所有权，计数减一。当计数等于0时，资源会被释放。
shared_ptr采用引用计数的方法，记录当前内存资源被多少个智能指针引用。该引用计数的内存在堆上分配。当新增一个时引用计数加1，当过期时引用计数减一。只有引用计数为0时，智能指针才会自动释放引用的内存资源。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
-
初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用
make_shared函数初始化。
不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如：std::shared_ptr的写法是错误的！p4 = new int(1); -
拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。
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get函数获取原始指针。 -
注意：不要用一个原始指针初始化多个
shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存。 -
注意：避免循环引用。
shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。
成员函数：
-
use_count返回引用计数的个数； -
unique返回是否是独占所有权(use_count为 1)； -
swap交换两个shared_ptr对象(即交换所拥有的对象)； -
reset放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少； -
get返回内部对象(指针), 由于已经重载了()方法, 因此和直接使用对象是一样的。
示例1：
#include ptrb = pb; //error
std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);
ptra2 = ptrb; //assign
pb = ptrb.get(); //获取原始指针
std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
}
}
示例2：
int main()
{
string *s1 = new string("s1");
shared_ptr<string> ps1(s1);
shared_ptr<string> ps2;
ps2 = ps1;
cout << ps1.use_count()<<endl; //2
cout<<ps2.use_count()<<endl; //2
cout << ps1.unique()<<endl; //0
string *s3 = new string("s3");
shared_ptr<string> ps3(s3);
cout << (ps1.get()) << endl; //033AEB48
cout << ps3.get() << endl; //033B2C50
swap(ps1, ps3); //交换所拥有的对象
cout << (ps1.get())<<endl; //033B2C50
cout << ps3.get() << endl; //033AEB48
cout << ps1.use_count()<<endl; //1
cout << ps2.use_count() << endl; //2
ps2 = ps1;
cout << ps1.use_count()<<endl; //2
cout << ps2.use_count() << endl; //2
ps1.reset(); //放弃ps1的拥有权，引用计数的减少
cout << ps1.use_count()<<endl; //0
cout << ps2.use_count()<<endl; //1
}
2.2 unique_ptr的使用
unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。它对于避免资源泄露(例如“以new创建对象后因为发生异常而忘记调用delete”)特别有用。
相比与原始指针，unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。
unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。
示例：
#include uptr2 = uptr; //不能賦值
//std::unique_ptr uptr2(uptr); //不能拷貝
std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權
uptr2.release(); //释放所有权
}
//超過uptr的作用域，內存釋放
}
说明：C++有一个标准库函数std::move()，让你能够将一个unique_ptr赋给另一个。尽管转移所有权后 还是有可能出现原有指针调用（调用就崩溃）的情况。但是这个语法能强调你是在转移所有权，让你清晰的知道自己在做什么，从而不乱调用原有指针。
（说明：boost库的boost::scoped_ptr也是一个独占性智能指针，但是它不允许转移所有权，从始而终都只对一个资源负责，它更安全谨慎，但是应用的范围也更狭窄。）
2.3 weak_ptr的使用
share_ptr虽然已经很好用了，但是有一点share_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。
weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。
weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。
使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象，从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。
示例：
#include 2.4 循环引用
考虑一个简单的对象建模——家长与子女：
循环引用内存泄露的问题：
#include 正确的做法：
#include ChildPtr;
std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
public:
void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
this->ChildPtr = child;
}
void doSomething() {
//new shared_ptr
if (this->ChildPtr.lock()) {
}
}
~Parent() {
}
};
class Child {
private:
std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
this->ParentPtr = parent;
}
void doSomething() {
if (this->ParentPtr.use_count()) {
}
}
~Child() {
}
};
int main() {
std::weak_ptr<Parent> wpp;
std::weak_ptr<Child> wpc;
{
std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
std::shared_ptr<Child> c(new Child);
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
wpp = p;
wpc = c;
std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
}
std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 0
return 0;
}
三、智能指针的设计和实现
下面是一个简单智能指针的demo。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。
每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；
当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；
对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；
调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。
智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。
智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。
示例：
#include