对C++中的智能指针的理解和基本用法总结
文章目录
- 1 智能指针的概述
- 2 shared_ptr基础理解
- 3 shared_ptr的初始化方式
-
- 3.1 默认初始化
- 3.2 配合 new的初始化
- 3.3 shared_ptr错误使用方式
- 3.4 使用std:: make_shared函数来初始化
- 4 shared_ptr引用计数的增加和减少
- 5 shared_ptr常用的成员函数
-
- 5.1 use_count成员函数
- 5.2 unique成员函数
- 5.3 reset成员函数
- 6 指定删除器和指向数组的问题
- 7 shared_ptr带来的循环引用问题--weak_ptr解决方案
- 8 unique_ptr的基本使用
- 9 智能指针选取问题
1 智能指针的概述
毫无疑问，智能指针相比于普通的裸指针（也就是我们直接用 new出来的对象的指针）更加智能，最明确的体现在于，可以自动帮你管理内存泄漏的问题，也就是说是，使用智能指针，不需要你手动去delete一个指针；
简单的说：只能指针就是对普通的裸指针进行了一层包装，包装之后，就使得这个指针更加智能，能够自动在合适时间帮你去释放内存；
C++标准库提供了四种智能指针的使用：
std::auto_ptr; c++98就有的一种智能指针，但是现在被遗弃，完全被std::unique_ptr所取代；
下面三种都是C++11提供的新智能指针；
std::unique_ptr; 一种独占式智能指针，同一个时间内只能有一个指针指向该对象；
std::shared_ptr;多个指针可以指向同一个对象的指针；
std::weak_ptr;一种辅助std::shared_ptr指针而存在的；
使用智能指针时候，记得包含头文件#include
2 shared_ptr基础理解
shared_ptr指针用共享所有权的方式来管理所指向对象的生命周期的；也就是说：一个对象不仅可以被一个单独的shared_ptr所指向，也可以被多个shared_ptr所指向，多个shared_ptr相互协作，共同管理所指向对象的生命周期，当所指向对象不被需要时候，就把所指向对象释放掉它的内存。
而我们使用shared_ptr前：需要思考一个问题,所指向的对象是否需要多个指针所指向，也就是多个指针可以共享一个对象（多个指针指向同一份内存的意思）；
shared_ptr管理内存的原理是：使用引用计数的方式。这种方式：可以在指向一份对象的最后一个智能指针shared_ptr不再需要指向该内存时候，就释放该对象的空间；
那我们思考一个问题：最后一个指向该对象内存的shared_ptr指针是什么时候才会销毁该对象内存空间
1.该shared_ptr指针被析构的时候，也就是该指针的生命周期结束时候；
2.这个shared_ptr指向其他对象的时候；
3 shared_ptr的初始化方式
我们要知道智能指针就是一个模板，本质智能指针是一个对象，之所以叫它为指针，因为该智能指针类里面重载了->运算符，使这个对象能够像指针一样，指向它所需要的内存；
3.1 默认初始化
所以智能指针的初始化方式就是和容器的初始化方式差不多：基本形式如下
shared_ptr<指向的类型>智能指针名；
比如：
shared_ptr<string> p; //指向一个类型为string的智能指针p1,
//这种方式为默认初始化，也就是会给智能指针赋值为nullptr;
3.2 配合 new的初始化
//指向一个类型为int类型的智能指针， 并且指向该对象的初始值为10；
shared_ptr<int> p1(new int(10));
//指向一个类型为int类型的智能指针， 并且指向该对象的初始值为0；
shared_ptr<int> p2(new int());
我们要知道，指向的对象的初始化方式使由该对象决定的，也就是new 后面的类型加上（）里面的方式。
3.3 shared_ptr错误使用方式
shared_ptr<int> p = new int(10); //这种方式使错误的，因为shared_ptr是不支持隐式构造的；
//也就是说： = 号右边是 int* 类型， = 左边是 shared_ptr类型，类型不对应是不行；
对于智能指针作为返回值的方式也是：下面的方式也是不行
shared_ptr<int> fun(int x)
{
return new int(x); //这种方式也是错误的，原因也是不支持隐式构造，也就是类型不对应
}
起始我们可以用普通的裸指针去初始化智能指针，但是这种方式是不被推荐的，最好不要使用：
int* p = new int();
shared_ptr<int> p1(p);
上面的方式没有错误，但是不建议这么使用
3.4 使用std:: make_shared函数来初始化
其实我们可以使用一个特别的函数模板make_shared的函数去初始化shard_ptr指针，这种方式初始化也是被认为最安全，最高效的一种分配方式.（ps:虽然我不知道高效在哪里，但是看书资料是这么说的）
make_shared返回值是指向该对象的shared_ptr指针。
//类似：shared_ptr p (new int(10));
shared_ptr<int> p = std::make_shared<int>(100);
//类似shared-ptr p(new string(5,'a'));
shared_ptr<string> p = std::make_shared<string>(5,'a');
//还可以结合 auto使用
auto p = std::make_shared<string>(5,'a'); //这种写法比较简洁
make_shared函数的参数，是根据指向对象的初始化方式的参数。
但是，使用make_shared函数来初始化，shared_ptr指针的话，那么该shared_ptr指针就无法自定义删除器了。（至于什么是删除器，后面再讲）；
4 shared_ptr引用计数的增加和减少
我们知道shared_ptr是通过引用计数来管理指向对象内存空间的释放的。
那么只要shared_ptr的引用计数为0时候，那么就会自动释放指向该对象的内存空间；
//此时指向int类型的共享指针p1的引用计数为1
shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>(10);
//此时指向int类型的共享指针p2的引用计数为2，同时p1的引用计数也是2
auto p2(p1);
可以这么理解：指向同一份对象内存的每个shared_ptr都关联着一个引用计数，当有新的shared_ptr指向该同一份对象内存空间时候，那么所有指向该同一份内存对象的shared_ptr都会增加1个引用计数；
减少也是同理；
shared_ptr作为形参的引用计数理解，此时的形参不是引用的方式
void fun(shared_ptr<int> p )
{
//代码逻辑
//...
}
int main()
{
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数有一个
fun(p1); //当传参给fun函数形参p时候，在fun函数内部，形参还没销毁时候，
//这个shared_ptr的引用计数就是2,当p出来作用域的时候，
//那么引用计数就会减1,也就是说形参p是对象生命周期结束了，相当于引用计数没变化
return 0;
}
所以总的来说，形参是赋值的方式接收实参的话，那么引用计数就是现+1后减1,相当于没变化；
那么也很容易理解另一种情况就是，以shared_ptr引用的方式去接收实参，引用计数就是实实在在的没发生变化；
void fun(shared_ptr<int>& p )
{
//代码逻辑
//...
}
int main()
{
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数有一个
fun(p1); //当传参给fun函数形参p时候，由于是引用的方式，所以引用计数没变，还是1，
return 0;
}
还有一种以返回值的方式：shared_ptr做函数的返回值，以值的方式接收返回值：
这种情况：分两种：
第一：当调用该函数时候，没有变量去接受该返回值，那么引用计数不变；其实这个不变，也算是变化的了，因为返回时候，相当于是赋值拷贝一份shared_ptr对象，那么这个赋值过去的share_ptr就会指向同一份对象的内存，此时引用计数就会+1，但是由于没有变量接收返回值，所以引用计数又减1，所以相当于没有变化；
第二：当调用该函数时候，有变量去接收返回值，那么引用计数+1；
//第一种情况：
shared_ptr<int> fun(shared_ptr<int>& p )
{
//代码逻辑
//...
return p;
}
int main()
{
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数有一个
fun(p1); //没人接收fun函数返回值，引用计数还是1，
return 0;
}
//第2种情况：
shared_ptr<int> fun(shared_ptr<int>& p )
{
//代码逻辑
//...
return p;
}
int main()
{
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数有一个
auto p2 = fun(p1); //有人接收，引用计数还是1，
return 0;
}
引用计数减少的情况：
第一：当指向同一份对象的shared_ptr指向另一个对象空间时候，此时引用计数就会减少
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数为1
auto p2(p1); //引用计数为2，p1和p2都是2
p2 = std::make_shared<int>(20); //此时p2的引用计数为1，是因为它指向了新的空间，
//p1的引用计数为1，是因为p2指向了新的对象空间导致的；
第二：当shared_ptr的指针，离开了作用域后，调用自己的析构函数，此时，引用计数也会减少；
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数为1
auto p2(p1); //引用计数为2，p1和p2都是2
void fun()
{
shared_ptr p3(p1); //引用计数为3
shared_ptr p4(p2); //引用计数为4
}
//当p3,p4离开作用域后，引用计数又变为2了
5 shared_ptr常用的成员函数
5.1 use_count成员函数
use_count成员函数使用来统计有多少个shared_ptr指针指向同一份内存空间对象的；
shared_ptr<int> p1(new int(10));
int nums = p1.use_count(); //nums = 1此时有一个引用计数
shared_ptr<int> p2(p1);
int nums = p2.use_count(); //nums = 2此时有一个引用计数
shared_ptr<int> p3(p2);
int nums = p3.use_count(); //nums = 3此时有一个引用计数
有一个细节：就是shared_ptr的对象，用哪个调用use_count函数都是可以的，p1,p2,p3调用use-count都是可以的
5.2 unique成员函数
这个成员函数主要是判断：shared_ptr指针是否只有一个智能指针指向该对象，如果是：返回true，如果不是：返回false;
shared_ptr<int> p1(new int(10));
if(p1.unique()) //此时条件成立，因为只有一个引用计数
{
//输出这个结果
cout<<"只有一个shared_ptr指针指向同一份内存空间"<<endl;
}else
{
cout<<"多个shared_ptr指向同一份内存空间"<<endl;
}
shared_ptr<int> p2(p1);
if(p1.unique()) //此时不成立条件成立，因为只有2个引用计数
{
cout<<"只有一个shared_ptr指针指向同一份内存空间"<<endl;
}else //输出这个结果
{
cout<<"多个shared_ptr指向同一份内存空间"<<endl;
}
5.3 reset成员函数
reset成员函数就是重置shared_ptr指针的的意思。
reset成员有两个重载版本： 第一个无参数的版本：重置该shared_ptr为空，同时引用计数减一，如果减到0就释放指针指向的内存空间；
第二个有参数的版本：重置shared_ptr指向为该参数的内存空间对象中，并且原来的内存空间对象的引用计数减一，如果减到0那么就释放该内存空间；
无参数的reset函数
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数为1
p1.reset(); //p1指向空，由于引用计数会减一，减了之后变为0，就释放了该内存
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数为1
shared_ptr p2(p1); //引用计数为2
p1.reset(); //p1指向空，由于引用计数会减一，减了之后变为1，p2的引用计数为1，P2指向的内存空间没有被释放
有参数的版本reset函数
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数为1
p1.reset(new int(20)); //p1指向新开辟的对象内存空间，由于引用计数会减一，
//所以原来P1指向的对象的内存空间被 释放了
shared_ptr<int> p1(new int(10)); //引用计数为1
shared_ptr p2(p1); //引用计数为2
p1.reset(new int(20)); //p1指向新开辟的对象内存空间，由于引用计数会减一，
//减了之后变为1，p2的引用计数为1，P2指向的内存空间没有被释放
6 指定删除器和指向数组的问题
C++的智能指针初始化的第二个参数，可以指定自定义的删除器，其实这个删除器就是一个函数指针，并且是单参数的函数指针，当然，你也可以传lambda表达式。
如果不指定第二个初始化的参数，那么就是使用默认的删除器，也就是直接delete的版本；
为什么要指定自己的删除器呢？
因为智能指针在管理数组指针时候，需要释放数组的内存，假如使用默认的删除器，也就是直接delete，那么就会导致内存泄漏了，所以需要自己指定自己删除器，去释放数组内存；
class A
{
public:
A()
{
cout<<"A()构造函数执行"<<endl;
}
~A()
{
cout<<"A()析构函数执行"<<endl;
}
};
int main()
{
//shared_ptr p(new A[10]); //试图开辟10个A类的数组空间，用智能指针P去指向它；
//但是这会报错，报错原因就是默认删除器使用的delete p,
//这样只能析构一个数组元素，剩下的9个没有析构成功
//而我们需要的是delete[]p的方式释放内存，所以要自己指定删除器
shared_ptr<A> p(new A[10],[](A* p){
delete[] p;}); //用lambda表达式指定删除器
//这样就可以释放干净数组的内存了
//其实，删除器还有一种是C++ 标准库提供的类模板std::default_delete
//这种方式也可以用来删除数组
shared_ptr<A> p2(new A[10], std::default_delete<A[]>());
return 0;
}
在C++17提供了一种更加方便的方式来管理数组的，但是这种在C++11 和14都是不支持的，所以可能老的编译器会报错.
只在<>尖括号 和（）小括号里面的类型都加上[ ]中括号即可。
shared_ptr<A[]> p(new A[10]); //c++17就开始支持这种写法来管理数组
7 shared_ptr带来的循环引用问题–weak_ptr解决方案
什么是循环引用？什么又是weak_ptr;
什么是weak_ptr指针
1.首先我们得知道weak_ptr：是一种辅助shared_ptr的智能指针；
也就是说，weak_ptr本身是不可以被单独使用的；
不可以被单独使用的意思：weak_ptr这种方式是不可以创建weak_ptr对象的，这是错误的用法；p(new int(10))
2.weak_ptr的对象只能指向一个由shared_ptr创建的对象，但是weak_ptr是不管理shared_ptr指针指向的对象内存的空间生存周期的；这个weak_ptr是不会增加shared_ptr的引用计数的。
也就是说shared_ptr所指向的对象该释放空间就释放空间，和weak_ptr没有关系，尽管weak_ptr还是指向该对象的内存空间，只要shared_ptr的引用计数为0，那么就会释放该对象内存空间；
我们知道weak_ptr就是用来辅助shared_ptr使用的，那么是如何辅助呢？
首先我们得认识什么是循环引用得问题。
那么我们现来设一个场景类：一个人类，有一辆车；一个车类，需要有一个人；
在People类设计一个成员变量 shared_ptr类型的指针;
在Car类设计一个成员变量 shared_ptr类型的指针;
#include一旦我调用上面的test函数，你猜会输出什么结果？是否由正常的两次构造函数，和两次析构函数的调用呢？
很明显，当我执行这行代码的时候，并没有显示正确的两次析构函数，也就是说，这段代码出现了一个很严重的问题，那就是内存泄漏了。
这个也是循环引用带来的问题，导致内存泄漏，那么我们总结以下什么是循环引用呢？
也就是shared_ptr管理资源内存时候，互相指向的问题，你的shared_ptr指向我的sahred_ptr,我的shared_ptr又指向你的shared_ptr；
画个图更好理解上面的代码
我们能够很清晰的看到，这里有一个循环的圈子在相互引用这，当我们的people和car 的共享指针声明周期结束时候，也就是在栈空间销毁时候，就会导致共享指针的引用计数减1，但是我们发现仅仅是减1，没有减到0，在堆空间中还是有成员变量的共享指针相互指向对方，这就导致了对象的空间没有被释放的问题；导致了析构函数无法被执行；
那么我们如何解决这个问题呢？
其实很好解决，只要通过weak_ptr来解决即可，只要在任意一个类中把shared_ptr换成weak——ptr就可以解决循环引用带的问题了，其他代码都不需要变动。
比如我在People类中修改了shared_ptr 为weak_ptr,当然你也可以在Car类修改，只要修改其中一个就可以了；
#include查看结果：达到我们的预期，成功释放内存
那么原理是什么呢？ 原理很简单，画个图就明白了
一旦栈空间的car共享指针离开作用域，那么就会就会释放 new Car对象，因为new Car的共享指针car只有1个引用计数，那么new Car对象就会调用自己的析构函数，一旦调用自己的析构函数，那么就导致new Car对象里面成员变量_people共享指针的引用计数少1，由于在栈空间people的共享指针也离开作用域，那么也就是说new People的共享指针引用计数也会少1，如此一来，由原来的两个引用计数变成0，那么就会释放 new People的空间了.
8 unique_ptr的基本使用
unique_ptr指针就是一种独占式的指针，也就是说，执行一个对象内存时候，只能有一个unique指针指向，不可以有多个；
所以说：基本没什么区别和shared_ptr的用法，那我们只要来分析一些常见的错误即可；
不可以拷贝构造；
不可以赋值初始化；
不可以赋值拷贝；
unique_ptr<string> p1(new string("hello world!"));
//以下三种赋值方式都不行，因为这是一个独占式指针，只能有一个指针指向该对象string的内存单元；
unique_ptr<string> p2(p1);
unique_ptr<string> p3 = p1;
unque_ptr<string> p4;
p4 = p1;
C++ 14还提供一种使用make_unique的函数模板进行初始化unique_ptr指针的，但是C++11是不支持这种写法的
unique_ptr<int> p = std::make_unique<int>(100);
9 智能指针选取问题
假如程序中要使用多个指针指向同一个对象，选用shared_ptr;
假如程序中要使用单个指针指向同一个对象，选用unique_ptr;