c++11 智能指针

智能指针

c++程序设计中经常会用堆内存，程序员要自己管理内存的申请和释放。使用原始指针，容易造成堆内存泄漏（忘记释放），二次释放；使用智能指针能更好的管理堆内存。

c++中四个智能指针：auto_ptr，unique_ptr，shared_ptr，weak_ptr，auto_ptr已被c++11弃用
头文件 #include
使用时，调用智能指针自身带的函数用 . ; 调用所指向对象的成员用->

1. shared_ptr（共享的智能指针）

1）定义：允许多个指针指向同一个对象，内部维护一个计数器，无论何时拷贝一个shared_ptr，计数器都会递增，当指向该对象的最后一个shared_ptr被销毁时，shared_ptr类会自动销毁该对象。

shared_ptr类，类似vector ，智能指针也是模板，当我们创建一个智能指针时，必须提供额外的信息：指针可以指向的类型。与vector一样，在尖括号内给出类型，之后是所定义的这种智能指针的名字。
use_count() 有多少个指针指向当前对象，即引用计数

2）基本用法：

• 初始化 优先使用make_shared

// 1 通过构造函数、std::shared_ptr辅助函数、reset方法来初始化
std::shared_ptr<int> p1(new int(1));
std::shared_ptr p2 = p1;
std::shared_ptr<int> p3;
p3.reset(new int(1)); // 与赋值类似，reset会更新引用计数，p3指向一个新对象，p3原来指向的对象计数-1

if (p3) {
	cout << "p3 not null" << endl;
}

// 2 应该优先使用make_shared来构造智能指针，更高效
auto p1 = make_shared<int>(100);
// 相当于
shared_ptr<int> sp1(new int(100));

// 不能将原始指针赋值给智能指针
std::shared_ptr<int> p = new int(1); // error

• 获取原始指针

std::shared_ptr<int> ptr(new int(1));
int* p = ptr.get(); // 返回ptr中保存的指针，要小心使用，若智能指针释放了对象，返回的指针所指向的对象也就消失了

• 指定删除器
  智能指针初始化可以指定删除器
  当我们使用shared_ptr管理动态数组时，需要指定删除器，默认删除器不支持数组对象

#include 
void delete_ptr(int* p) {
	delete p;
}
int main(){
	std::shared_ptr<int> p(new int(1), delete_ptr);
}

// 删除器也可以是lamda表达式
std::shared_ptr<int> p(new int[10], [](int* p){delete [] p;}); 

3）使用注意事项

• 不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr

// 如果用同一个原始指针分别初始化了多个shared_ptr，这些shared_ptr指向同一块内存，并不知道相互的存在，则会在引用减为0的时候，分别析构原始指针，造成多次析构
int* p = new int;
shared_ptr<int> p1(p);
shared_ptr<int> p2(p); // error 

• 不要在函数实参中创建shared_ptr
  c++函数参数的计算顺序在不同的编译器不同的约定下可能是不一样的，顺序不同会引起一些异常
• 通过shared_from_this() 返回this指针
  不要将this指针作为shared_ptr返回出来，因为this指针本质上是一个裸指针，可能会导致重复析构

#include 
#include 
using namespace std;

class A {
public:
  shared_ptr<A> get_self() {
	return shared_ptr<A>(this); // 这样有问题
  }
  ~A() { cout << "Destruction A" << endl; }
};
int main() {
	shared_ptr<A> sp1(new A);
	shared_ptr<A> sp2 = sp1->get_self();
	return 0;
}
//  用同一个指针this构造了两个智能指针，他们之间没有联系，离开作用域后this会被两个智能指针各自析构，导致重复析构的错误

// 正确做法
class A:public std::enable_shared_from_this<A> {
public:
	shared_ptr<A> get_self() {
		return shared_from_this();
	}
	~A(){}
}

• 避免循环引用 （循环引用会导致内存泄漏）

#include 
#include 
using namespace std;
class A;
class B;

class A {
public:
	shared_ptr<B> bptr;
	~A(){cout << "A is delete" << endl;}
};

class B {
public:
	shared_ptr<A> aptr;
	~B(){cout << "B is delete" << endl;}
};

int main() {
	{
		shared_ptr<A> ap(new A);
		shared_ptr<B> bp(new B);
		ap->bptr = bp;
		bp->aptr = ap;
	}
	cout << "main leave" << endl;
	return 0;
}

如下图所示，循环引用导致对象ap和bp的引用计数为2，在离开作用域后，ap、bp指针被释放，对象的引用计数变为1，不会减为0。A中通过bptr持有了B，A要释放要B先释放。
看图理解会容易些。

4）多线程使用shared_ptr
shared_ptr的引用计数本身是安全且无锁的，对象的读写不是，因为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：

• 一个shared_ptr对象实体可被多个线程同时读取
• 两个shared_ptr对象实体可以被两个线程同时写入
• 如果多个线程同时读写同一个shared_ptr对象，需要加锁

以上是shared_ptr对象本身的线程安全级别，不是它管理的对象（即指向的内存空间）的线程安全级别。
shared_ptr 包含两个成员，一个是指向Foo的指针ptr，另一个是ref_count指针，指向堆上的引用计数对象；这两个数据成员，读写操作不能原子化，使得多线程读写同一个shared_ptr对象需要加锁
参考：https://blog.csdn.net/solstice/article/details/8547547

2. unique_ptr（独占的智能指针）

独占所指向的对象，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。
不允许通过赋值将一个unique_ptr赋值给另一个unique_ptr，但可以通过函数返回给其他的unique_ptr，或者用std::move转移到其他的unique_ptr
使用std::move转移后，该unique_ptr为nullptr

unique_ptr<T> ptr(new T);
unique_ptr<T> other_ptr = ptr; // error 不允许复制

unique_ptr<T> my_ptr(new T); // 正确
unique_ptr<T> my_other_ptr = std::move(my_ptr); // 正确
unique_ptr<T> ptr = my_ptr; // error 不能复制 

unique_ptr 和 shared_ptr的区别

• unique_ptr可以指向一个数组

std::unique_ptr<int []> ptr(new int[10]);
ptr[9]=9;
std::shared_ptr<int []> ptr2(new int[10]); // error不可以这样用

• unique_ptr指定删除器和shared_ptr有区别

std::shared_ptr<int> ptr3(new int(1), [](int *p){delete p;}); // 正确 
std::unique_ptr<int> ptr4(new int(1), [](int *p){delete p;}); // 错误
std::unique_ptr<int, void(*)(int*)> ptr5(new int(1), [](int *p){delete p;}); // 正确，需要指定删除器的类型

使用选择：
依据使用场景进行选择
如果希望只有一个智能指针管理资源或者管理数组就用unique_ptr
如果希望多个智能指针管理同一个资源就用shared_ptr

3. weak_ptr（弱引用的智能指针）

1）定义
weak_ptr是一种不控制对象生命周期的智能指针，它指向一个shared_ptr管理的对象。进行该对象内存管理的是那个强引用的shared_ptr，weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。
设计的目的是为配合shared_ptr而引入的一种智能指针来协助shared_ptr工作，它只可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，它的构造和析构不会引起引用计数的增加或减少。
用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题。

weak_ptr没有重载操作符* 和 -> , 在进行资源操作时要用shared_ptr

2）基本用法

• 通过use_count() 方法获取当前观察资源的引用计数

shared_ptr<int> sp(new int(10));
weak_ptr<int> wp(sp);
// weak_ptr wp = sp; 也可以这样赋值
cout << wp.use_count() << endl; // 结果1

• 通过expired()方法判断所观察资源是否已经释放

shared_ptr<int> sp(new int(10));
weak_ptr<int> wp(sp);
if(wp.expired()) {
	cout << "weak_ptr无效，资源已释放" << endl;
}

• 通过lock方法获取监视的shared_ptr
  weak_ptr不可以直接操作shared_ptr对象的成员、方法，需要用lock方法获取后，才可以。

class A {
 public:
  A() : a(10) {}
  int a;
};

std::shared_ptr<A> sp(new A);
std::weak_ptr<A> wp;
cout << wp.use_count() << " " << wp.expired() << endl; // 1,0

if (!wp.expired()) {
  std::shared_ptr<A> ptr = wp.lock(); 
  // 因为weak_ptr不能直接操作成员，用lock获取一个shared_ptr来进行操作
  ptr->a = 20;
}
cout << sp->a << endl; // 20

4. 智能指针安全性问题

• shared_ptr是不是线程安全的？
  引用计数是安全的，多线程下，赋值几次，值就加几次
  不安全：多线程代码操作的是同一个shared_ptr的对象
  安全：多线程代码操作的不是同一个shared_ptr对象

建议传值使用（拷贝一份），不传地址