深入浅出C++ ——智能指针

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智能指针的使用及原理

RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源的简单技术。
在对象构造时获取资源，接着在对象的生命周期内始终可以对资源进行访问，最后在对象析构的时候释放资源。即把管理一份资源的责任托管给了一个对象，省去了手动释放内存的操作，避免忘记手动释放导致的内存泄漏。

这种做法有两大好处:

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

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智能指针的原理

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

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std::auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。auto_ptr的实现是采用管理权转移的思想，在拷贝时（需要的就是浅拷贝，不能改为深拷贝），会导致被拷贝对象悬空，很多公司明确要求不要使用它。

template<class T>
class auto_ptr
{
public:
	auto_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
	{
		// 管理权转移
		sp._ptr = nullptr;
	}
	auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<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;
	}
	~auto_ptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
	}
	// 像指针一样使用
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

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std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr ，unique_ptr的实现原理为简单粗暴的防拷贝，解决上述拷贝会出现的管理权转移问题。

template<class T>
class unique_ptr
{
public:
	unique_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~unique_ptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
	}
	// 像指针一样使用
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
	unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
private:
	T* _ptr;
};

int main()
{
	unique_ptr<int> sp1(new int);
	//unique_ptr sp2(sp1);//err
	return 0;
}

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std::shared_ptr

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr。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着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
2. 在对象被销毁时，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，必须释放该资源；
4. 如不是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，否则其他对象成野指针了。

// 引用计数支持多个拷贝管理同一个资源，最后一个析构对象释放资源
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	shared_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
		, _pRefCount(new int(1))
		, _pmtx(new mutex)
	{}
	shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _pRefCount(sp._pRefCount)
		, _pmtx(sp._pmtx)
	{
		AddRef();
	}
	void Release()
	{
		_pmtx->lock();
		bool flag = false;
		if (--(*_pRefCount) == 0 && _ptr)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
			delete _pRefCount;
			flag = true;
		}
		_pmtx->unlock();
		if (flag == true)
		{
			delete _pmtx;
		}
	}
	void AddRef()
	{
		_pmtx->lock();
		++(*_pRefCount);
		_pmtx->unlock();
	}
	shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
	{
		//if (this != &sp)
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			Release();
			_ptr = sp._ptr;
			_pRefCount = sp._pRefCount;
			_pmtx = sp._pmtx;
			AddRef();
		}
		return *this;
	}
	int use_count()
	{
		return *_pRefCount;
	}
	~shared_ptr()
	{
		Release();
	}
	// 像指针一样使用
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	T* get() const
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
	int* _pRefCount;
	mutex* _pmtx;
};

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std::shared_ptr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可能同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数可能会错乱了。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，即智能指针指向资源不是线程安全的，智能指针管不了。

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std::shared_ptr的循环引用

1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
2. node1的next指向node2，node2的prev指向node1，引用计数变为2。
3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是next还指向下一个节点。但是prev还指向上一个节点。
4. 也就是说next析构了，node2就释放了。
5. 也就说prev析构了，node1就释放了。
6. 但是next属于node的成员，node1释放了，next才会析构，而node1由prev管理，prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。

解决方案是在引用计数的场景下，把节点中的prev和next改成weak_ptr。

struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;
};
int main()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
	return 0;
}

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bLU6lLan-1685014497693)(C:\Users\11794\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230525171800217.png)]

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weak_ptr

weak_ptr不是常规的智能指针，没有RAII，不支持直接管理资源，只用来解决循环引用问题，原理是weak_ptr的next和prev不会增加node1和node2的引用计数。

解决方案是在引用计数的场景下，把节点中的prev和next改成weak_ptr。

struct ListNode
{
	int _data;
	weak_ptr<ListNode> _prev;
	weak_ptr<ListNode> _next;
};
int main()
{
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;
	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	return 0;
}

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