14.C++中的智能指针

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1.背景

在C++中，动态内存的管理使用的是new和delete运算符，手动的分配和释放堆上的内存。

动态内存的使用很容易出问题，因为确保在正确的时候释放内存是极其困难的。

为更容易也更安全的使用动态内存，C++11标准库中提供了两种智能指针shared_ptr和unique_ptr。智能指针与常规指针行为类似，但两者的重要区别是智能指针能自动释放他所指向的内存。两种智能指针的主要区别在于管理底层指针的方式，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。

类似于vector等容器，标准库中提供的两种智能指针也都是模板。因此，在创建智能指针的时候，必须提供指针可以指向的类型。

#include 
shared_ptr p1;
unique_ptr p2;

智能指针包含在头文件memory中，如上默认初始化的智能指针中保存着一个空指针。

p.get()返回p中保存的指针。要小心使用，若智能指针释放了对象，get返回的指针所指向的对象就消失了。

2.shared_ptr

shared_ptr正如其名，允许多个指针指向同一个对象;其采用引用计数的方式来管理内存的释放，当其检查到指针的引用数为0时会自动释放对象所分配的内存。

2.1创建shared_ptr并初始化

• 使用make_shared函数

最安全的分配和使用动态内存的方式是调用make_shared的标准库函数。此函数在动态内存中分配一个对象并初始化它，返回指向对象的shared_ptr。

shared_ptr p1 = make_shared(4);

• 结合new来使用

可以使用new返回的指针来初始化智能指针。

shared_ptr p1(new int(2));
std::cout << *p1 << std::endl;

接受指针参数的智能指针构造函数是explicit的，因此，不能将一个内置指针隐式转换为一个智能指针，必须使用直接初始化形式。

shared_ptr p1 = new int(2); // error
shared_ptr p1(new int(2)); // right

不推荐混合使用普通指针和智能指针，使用make_shared能在分配对象的同时就将shared_ptr与之绑定，从而避免了无意中将同一块内存绑定到多个独立创建的shared_ptr上。

看两个例子：

内存被释放两次：

int *p = new int(2);
shared_ptr p1(p);
std::cout << *p1 << std::endl;
shared_ptr p2(p);
std::cout << *p2 << std::endl;

// free(): double free detected in tcache 2
// Aborted (core dumped)

内存被意外释放：

#include
#include

using namespace std;

void log(shared_ptr p)
{

} // `shared_ptr`按值传递，离开作用域，内存被销毁

int main(int argc, char **argv) {
    int *p = new int(2);
    log(shared_ptr(p));
    cout << *p << endl; // p所指向的内存已被销毁，0
}

2.2不要使用‵get`初始化另一个智能指针

get返回了指向智能指针管理对象的内置指针，提供这个函数，主要是为了向不能使用智能指针的代码中传递一个内置指针。

不能delete get返回的指针。

但同样使用get返回的指针给其他智能指针赋值，有可能会导致内存的意外释放。

2.3shared_ptr计数器增减

每个shared_ptr都有一个关联的计数器，通常称为引用计数器，无论何时拷贝一个shared_ptr，或使用shared_ptr赋值时，计数器都会递增，被赋值的shared_ptr的计数器会减1，当计数器小于1时，shared_ptr中所指向的内存会被释放。如下：

#include 
#include 
using namespace std;

int main(int argc, char **argv)
{
     auto p1 = make_shared(1);
     auto q(p1);
     cout << p1.use_count() << endl;
     cout << q.use_count() << endl;
     auto r = make_shared(2);
     auto r1 = r;
     cout << r.use_count() << endl;
     cout << r1.use_count() << endl;
     r = q;
     cout << r.use_count() << endl;
     cout << r1.use_count() << endl;
     cout << q.use_count() << endl;
     cout << p1.use_count() << endl;

     return 0;
}

// 2
// 2
// 2
// 2
// 3
// 1
// 3
// 3

2.4shared_ptr与多线程

shared_ptr的引用计数本身是安全无锁的，但对象的读写不是，shared_ptr有两个数据成员，读写操作不能原子化。shared_ptr的线程安全级别和内建类型/标准容器/string等一样，如果要从多个线程读写同一个shared_ptr对象，需要加锁。

3.unique_ptr

与shared_ptr不同，某个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定对象。当unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也被销毁。

有个小插曲,‵C++11‵标准中没有提供类似make_shared的函数，到C++14中才给出make_unqiue函数用来创建unique_ptr类型的对象，据说是因为C++11的标准制定者忘了*_*。

test.cpp:88:14: note: ‘std::make_unique’ is only available from C++14 onwards
test.cpp:88:26: error: expected primary-expression before ‘int’

unique_ptr拥有它指向的对象，unique_ptr不支持普通的赋值和复制操作。

auto q = make_unique(10);
auto p = q; // error
unique_ptr uq(q); // error

可以通过.release/.reset函数将指针所有权从一个unique_ptr转移给另一个unique_ptr.

auto q = make_unique(10);
unique_ptr p(q.release()); // 释放q的所有权并交给p,类似复制
auto q1 = make_unique(20);
p.reset(q1.release()); // 释放p原来指向的内存并将q1的所有权给p,类似赋值
cout << *p << endl;
cout << *q << endl; // q已为空，error

例外：可以拷贝或赋值一个将要被销毁的unique_ptr

// 复制
unique_ptr clone(int p)
{
     return unique_ptr(new int(p));
}
// 局部变量
unique_ptr clone(int p)
{    
     unique_ptr q(new int(p));
     return q;
}

4.weak_ptr

weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，它指向由一个shared_ptr所指向的对象。

weak_ptr绑定到一个shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。

auto q = make_shared (10);
cout << q.use_count() << endl;
weak_ptr wq(q);
cout << q.use_count() << endl;
// 1
// 1

一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象的内存就会被释放，即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放，这也正是weak_ptr这种智能指针“弱”共享对象的特点。

由于对象可能不存在，不能使用weak_ptr直接访问对象，而必须调用weak_ptr的lock函数。lock函数检查weak_ptr指向的对象是否存在。如果存在，lock返回一个指向共享对象的shared_ptr。

auto q = make_shared (10);
cout << q.use_count() << endl;
weak_ptr wq(q);
if(shared_ptr sp = wq.lock())
     cout << *sp << endl;
cout << q.use_count() << endl;
// 1
// 10
// 1

避免shared_ptr出现相互引用，导致对象无法析构，内存无法释放的问题

#include 
#include 

// 前置声明
class A;

class B
{
     public:
     ~B()
     {
          std::cout << "B destructor\n";
     }
     std::shared_ptr ptr;
};

class A
{
     public:
     ~A()
     {
          std::cout << "A destructor\n";
     }
     std::shared_ptr ptr;
};

int main()
{
    { // 作用域开始
        std::shared_ptr aPtr = std::make_shared();
        std::shared_ptr bPtr = std::make_shared();

        aPtr->ptr = bPtr;
        bPtr->ptr = aPtr;
    } // 作用域结束

    std::cout << "end\n";

    return 0;
}

创建aPtr和bPtr时，各自的引用计数会变成1，接着2个赋值语句，又把各自的引用计数加了1，就都变成了2，然后离开作用域，会减1，这样各自的引用计数还保持1，这样就无法释放内存空间，就不会去执行A和B的析构函数。而weak_ptr不增加引用计数，只需要将A/B类中的shared_ptr替换成weak_ptr即可。2

参考资料

• 1.Primer c++ 第5版.pdf
• 2.https://blog.csdn.net/whahu1989/article/details/122443129