【C++11】智能指针
目录
1 为什么需要智能指针？
2 内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害？
2.2 内存泄漏分类（了解）
2.3 如何检测内存泄漏（了解）
编辑
2.4如何避免内存泄漏
3 智能指针的使用及原理
3.1 RAII
3.2 智能指针的原理
3.3 std::auto_ptr
3.4 std::unique_ptr
问题2：循环引用的问题
4.C++11和boost中智能指针的关系
1 为什么需要智能指针？
下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么内存方面的问题？
int div()
{
int a, b;
cin >> a >> b;
if (b == 0)
throw invalid_argument("除0错误");
return a / b;
}
void Func()
{
// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
int* p1 = new int;
int* p2 = new int;
cout << div() << endl;
delete p1;
delete p2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
return 0;
}
没有智能指针的处理代码如下：
由于异常的提出，异常会直接跳转到处理异常的地方，可能导致中间的资源释放的代码没有执行，导致内存泄漏的问题。所以为了防止内存泄漏，要在中间可能抛异常的地方进行捕捉，对已经申请内存资源进行释放，再将异常抛给主函数进行处理，这就显得十分繁琐。
所以，此时就需要智能指针了，智能指针是用来管理资源的，该生命周期结束的时候会自动释放资源，不需要我们手动管理。
这样代码就显得十分简洁。
2 内存泄漏
2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害？
什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。
2.2 内存泄漏分类（了解）
2.3 如何检测内存泄漏（了解）
2.4如何避免内存泄漏
3 智能指针的使用及原理
3.1 RAII
RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。
在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：
- 不需要显式地释放资源。
- 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。
3.2 智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。
3.3 std::auto_ptr
C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份bit::auto_ptr来了解它的原
理
template
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr)
{}
auto_ptr(auto_ptr& ap) :_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
auto_ptr& operator=(auto_ptr& ap)
{
if (this != &ap)
{
if (_ptr != nullptr)
{
delete _ptr;
}
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
~auto_ptr()
{
delete _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
}; 
3.4 std::unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理
template
class unique_ptr
{
public:
unique_ptr(T* ptr) :_ptr(ptr)
{}
unique_ptr(unique_ptr& ap) = delete;
unique_ptr& operator=(unique_ptr& ap) = delete;
~unique_ptr()
{
delete _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
}; 3.5 std::shared_ptr(重要且复杂)
C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
std::shared_ptr文档
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。
- 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。
- 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
- 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；
- 如果不是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，否则其他对象就成野指针了。
【代码的整体框架】
template
class shared_ptr
{
private:
void release()
{
if (--(*_pcount) == 0)
{
cout << "delete: " << _ptr << endl;
delete _ptr;
delete _pcount;
}
}
void addCount()
{
++(*_pcount);
}
public:
shared_ptr(T* ptr=nullptr)
:_ptr(ptr)
,_pcount(new int(1))
{}
shared_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_pcount(sp._pcount)
{
addCount();
}
shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
addCount();
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release();
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
}; 问题1：std::shared_ptr的线程安全问题
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：
- 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同时++或--，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、--是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
- 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。
std::shared_ptr本身是线程安全的，但是管理的对象不是线程安全，我们访问的时候需要进行加锁处理。
【shared_ptr线程安全版】
template
class shared_ptr
{
private:
void release()
{
bool deleteMutex = false;
_mtx->lock();
if (--(*_pcount) == 0)
{
if (_ptr != nullptr)
{
cout << "delete: " << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
delete _pcount;
_pcount = nullptr;
deleteMutex = true;
}
_mtx->unlock();
if (deleteMutex)
{
delete _mtx;
_mtx = nullptr;
}
}
void addCount()
{
_mtx->lock();
++(*_pcount);
_mtx->unlock();
}
public:
shared_ptr(T* ptr=nullptr)
:_ptr(ptr)
,_pcount(new int(1))
,_mtx(new mutex)
{}
shared_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_pcount(sp._pcount)
,_mtx(sp._mtx)
{
addCount();
}
shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
addCount();
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release();
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
int use_count()
{
return *_pcount;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
mutex* _mtx;
}; 问题2：循环引用的问题
循环引用分析：
- 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。
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- 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。
- 也就是说_next析构了，node2就释放了。
- 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
- 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。
【weak_ptr的实现】
template
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
{}
weak_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
}; 问题3：shared_ptr默认的删除资源是delete的，如果资源不是new出了的呢？要怎么办？
如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题（ps：删除器这个问题我们了解一下）
【shared_ptr最终版】
template
class shared_ptr
{
private:
void release()
{
bool deleteMutex = false;
_mtx->lock();
if (--(*_pcount) == 0)
{
if (_ptr != nullptr)
{
cout << "delete: " << _ptr << endl;
_del(_ptr);
_ptr = nullptr;
}
delete _pcount;
_pcount = nullptr;
deleteMutex = true;
}
_mtx->unlock();
if (deleteMutex)
{
delete _mtx;
_mtx = nullptr;
}
}
void addCount()
{
_mtx->lock();
++(*_pcount);
_mtx->unlock();
}
public:
shared_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
,_pcount(new int(1))
,_mtx(new mutex)
{}
template
shared_ptr(T* ptr,D del)
:_ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _mtx(new mutex)
,_del(del)
{}
shared_ptr(const shared_ptr& sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_pcount(sp._pcount)
,_mtx(sp._mtx)
{
addCount();
}
shared_ptr& operator=(const shared_ptr& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
addCount();
}
return *this;
}
~shared_ptr()
{
release();
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
int use_count()
{
return *_pcount;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
mutex* _mtx;
function _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
}; 4.C++11和boost中智能指针的关系
