面试：C++ 11 智能指针
查询内存泄露方法
啥是内存泄露
内存泄露在维基百科中的解释如下：
在计算机科学中，内存泄漏指由于疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存。内存泄漏并非指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，由于设计错误，导致在释放该段内存之前就失去了对该段内存的控制，从而造成了内存的浪费。
在C++中出现内存泄露的主要原因就是程序猿在申请了内存后(malloc(), new)，没有及时释放没用的内存空间，甚至消灭了指针导致该区域内存空间根本无法释放。
知道了出现内存泄露的原因就能知道如何应对内存泄露，即：不用了的内存空间记得释放，不释放留着过年哇！
内存泄漏可能会导致严重的后果：
- 程序运行后，随着时间占用了更多的内存，最后无内存可用而崩溃；
- 程序消耗了大量的内存，导致其他程序无法正常使用；
- 程序消耗了大量内存，导致消费者选用了别人的程序而不是你的；
- 经常做出内存泄露bug的程序猿被公司开出而贫困潦倒。
如何知道自己的程序存在内存泄露？
根据内存泄露的原因及其恶劣的后果，我们可以通过其主要表现来发现程序是否存在内存泄漏：程序长时间运行后内存占用率一直不断的缓慢的上升，而实际上在你的逻辑中并没有这么多的内存需求。
如何定位到泄露点呢？
- 根据原理，我们可以先review自己的代码，利用"查找"功能，查询
new与delete，看看内存的申请与释放是不是成对释放的，这使你迅速发现一些逻辑较为简单的内存泄露情况。 - 如果依旧发生内存泄露，可以通过记录申请与释放的对象数目是否一致来判断。在类中追加一个静态变量
static int count;在构造函数中执行count++;在析构函数中执行count--;，通过在程序结束前将所有类析构，之后输出静态变量，看count的值是否为0，如果为0,则问题并非出现在该处，如果不为0，则是该类型对象没有完全释放。 - 检查类中申请的空间是否完全释放，尤其是存在继承父类的情况，看看子类中是否调用了父类的析构函数，有可能会因为子类析构时没有是否父类中申请的内存空间。
- 对于函数中申请的临时空间，认真检查，是否存在提前跳出函数的地方没有释放内存。
【如何优雅地检测内存泄漏？5种内存泄漏的检测及定位工具重新理解内存】
（C++后台开发）如何优雅地检测内存泄漏？5种内存泄漏的检测及定位工具重新理解内存_哔哩哔哩_bilibiliwww.bilibili.com/video/BV1Fs4y177ht/?share_source=copy_web&vd_source=64f9e03b735a65ecab46f345348e1993编辑
STL 的智能指针
为了减少出现内存泄露的情况，STL中使用智能指针来减少泄露。STL中一般有四种智能指针:
| 指针类别 | 支持 | 备注 |
|---|---|---|
| unique_ptr | C++ 11 | 拥有独有对象所有权语义的智能指针 |
| shared_ptr | C++ 11 | 拥有共享对象所有权语义的智能指针 |
| weak_ptr | C++ 11 | 到 std::shared_ptr 所管理对象的弱引用 |
| auto_ptr | C++ 17中移除 | 拥有严格对象所有权语义的智能指针 |
因为 auto_ptr 已经在 C++ 17 中移除，对于面向未来的程序员来说，最好减少在代码中出现该使用的频次吧，这里我便不再研究该类型。又因为weak_ptr是shared_ptr的弱引用，所以，主要的只能指针分为两个unique_ptr和shared_ptr。
std::unique_ptr 是通过指针占有并管理另一对象，并在 unique_ptr 离开作用域时释放该对象的智能指针。在下列两者之一发生时用关联的删除器释放对象：
- 销毁了管理的 unique_ptr 对象
- 通过 operator= 或 reset() 赋值另一指针给管理的 unique_ptr 对象。
std::shared_ptr 是通过指针保持对象共享所有权的智能指针。多个 shared_ptr 对象可占有同一对象。下列情况之一出现时销毁对象并解分配其内存：
- 最后剩下的占有对象的 shared_ptr 被销毁；
- 最后剩下的占有对象的 shared_ptr 被通过 operator= 或 reset() 赋值为另一指针。
unique_ptr
这是个独占式的指针对象，在任何时间、资源只能被一个指针占有，当unique_ptr离开作用域，指针所包含的内容会被释放。
创建
unique_ptr uptr( new int );
unique_ptr uptr( new int[5] );
//声明,可以用一个指针显示的初始化,或者声明成一个空指针,可以指向一个类型为T的对象
shared_ptr sp;
unique_ptr up;
//赋值,返回相对应类型的智能指针,指向一个动态分配的T类型对象,并且用args来初始化这个对象
make_shared(args);
make_unique(args); //注意make_unique是C++14之后才有的
//用来做条件判断,如果其指向一个对象,则返回true否则返回false
p;
//解引用
*p;
//获得其保存的指针,一般不要用
p.get();
//交换指针
swap(p,q);
p.swap(q);
//release()用法
//release()返回原来智能指针指向的指针,只负责转移控制权，不负责释放内存，常见的用法
unique_ptr q(p.release()) // 此时p失去了原来的的控制权交由q,同时p指向nullptr
//所以如果单独用:
p.release()
//则会导致p丢了控制权的同时,原来的内存得不到释放
//则会导致//reset()用法
p.reset() // 释放p原来的对象,并将其置为nullptr，
p = nullptr // 等同于上面一步
p.reset(q) // 注意此处q为一个内置指针,令p释放原来的内存，p新指向这个对象 类满足可移动构造 (MoveConstructible) 和可移动赋值 (MoveAssignable) 的要求，但不满足可复制构造 (CopyConstructible) 或可复制赋值 (CopyAssignable) 的要求。 因此不可以使用 = 操作和拷贝构造函数，仅能使用移动操作。
Demo
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
struct B {
virtual void bar() { std::cout << "B::bar\n"; }
virtual ~B() = default;
};
struct D : B
{
D() { std::cout << "D::D\n"; }
~D() { std::cout << "D::~D\n"; }
void bar() override { std::cout << "D::bar\n"; }
};
// 消费 unique_ptr 的函数能以值或以右值引用接收它
std::unique_ptr pass_through(std::unique_ptr p)
{
p->bar();
return p;
}
void close_file(std::FILE* fp) { std::fclose(fp); }
int main()
{
std::cout << "unique ownership semantics demo\n";
{
auto p = std::make_unique(); // p 是占有 D 的 unique_ptr
auto q = pass_through(std::move(p));
assert(!p); // 现在 p 不占有任何内容并保有空指针
q->bar(); // 而 q 占有 D 对象
} // ~D 调用于此
std::cout << "Runtime polymorphism demo\n";
{
std::unique_ptr p = std::make_unique(); // p 是占有 D 的 unique_ptr
// 作为指向基类的指针
p->bar(); // 虚派发
std::vector> v; // unique_ptr 能存储于容器
v.push_back(std::make_unique());
v.push_back(std::move(p));
v.emplace_back(new D);
for(auto& p: v) p->bar(); // 虚派发
} // ~D called 3 times
std::cout << "Custom deleter demo\n";
std::ofstream("demo.txt") << 'x'; // 准备要读的文件
{
std::unique_ptr fp(std::fopen("demo.txt", "r"),
close_file);
if(fp) // fopen 可以打开失败；该情况下 fp 保有空指针
std::cout << (char)std::fgetc(fp.get()) << '\n';
} // fclose() 调用于此，但仅若 FILE* 不是空指针
// （即 fopen 成功）
std::cout << "Custom lambda-expression deleter demo\n";
{
std::unique_ptr> p(new D, [](D* ptr)
{
std::cout << "destroying from a custom deleter...\n";
delete ptr;
}); // p 占有 D
p->bar();
} // 调用上述 lambda 并销毁 D
std::cout << "Array form of unique_ptr demo\n";
{
std::unique_ptr p{new D[3]};
} // 调用 ~D 3 次
}
输出结果：
unique ownership semantics demo
D::D
D::bar
D::bar
D::~D
Runtime polymorphism demo
D::D
D::bar
D::D
D::D
D::bar
D::bar
D::bar
D::~D
D::~D
D::~D
Custom deleter demo
x
Custom lambda-expression deleter demo
D::D
D::bar
destroying from a custom deleter...
D::~D
Array form of unique_ptr demo
D::D
D::D
D::D
D::~D
D::~D
D::~Dshared_ptr
有两种方式创建 shared_ptr：使用make_shared宏来加速创建的过程。因为shared_ptr主动分配内存并且保存引用计数(reference count),make_shared 以一种更有效率的方法来实现创建工作。
void main( )
{
shared_ptr sptr1( new int );
shared_ptr sptr2 = make_shared(100);
}
析构
shared_ptr默认调用delete释放关联的资源。如果用户采用一个不一样的析构策略时，他可以自由指定构造这个shared_ptr的策略。在此场景下，shared_ptr指向一组对象，但是当离开作用域时，默认的析构函数调用delete释放资源。实际上，我们应该调用delete[]来销毁这个数组。用户可以通过调用一个函数，例如一个lamda表达式，来指定一个通用的释放步骤。
void main( )
{
shared_ptr sptr1( new Test[5],
[ ](Test* p) { delete[ ] p; } );
}
注意 尽量不要用裸指针创建 shared_ptr，以免出现分组不同导致错误
void main( )
{
// 错误
int* p = new int;
shared_ptr sptr1( p); // count 1
shared_ptr sptr2( p ); // count 1
// 正确
shared_ptr sptr1( new int ); // count 1
shared_ptr sptr2 = sptr1; // count 2
shared_ptr sptr3;
sptr3 =sptr1 // count 3
}
循环引用
因为 Shared_ptr 是多个指向的指针，可能出现循环引用，导致超出了作用域后仍有内存未能释放。
class B;
class A
{
public:
A( ) : m_sptrB(nullptr) { };
~A( )
{
cout<<" A is destroyed"< m_sptrB;
};
class B
{
public:
B( ) : m_sptrA(nullptr) { };
~B( )
{
cout<<" B is destroyed"< m_sptrA;
};
//***********************************************************
void main( )
{
shared_ptr sptrB( new B ); // sptB count 1
shared_ptr sptrA( new A ); // sptB count 1
sptrB->m_sptrA = sptrA; // sptB count 2
sptrA->m_sptrB = sptrB; // sptA count 2
}
// 超出定义域
// sptA count 1
// sptB count 2 demo
#include
#include
#include
#include
#include
struct Base
{
Base() { std::cout << " Base::Base()\n"; }
// 注意：此处非虚析构函数 OK
~Base() { std::cout << " Base::~Base()\n"; }
};
struct Derived: public Base
{
Derived() { std::cout << " Derived::Derived()\n"; }
~Derived() { std::cout << " Derived::~Derived()\n"; }
};
void thr(std::shared_ptr lk(io_mutex);
std::cout << "local pointer in a thread:\n"
<< " lp.get() = " << lp.get()
<< ", lp.use_count() = " << lp.use_count() << '\n';
}
}
int main()
{
std::shared_ptr();
std::cout << "Created a shared Derived (as a pointer to Base)\n"
<< " p.get() = " << p.get()
<< ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';
std::thread t1(thr, p), t2(thr, p), t3(thr, p);
p.reset(); // 从 main 释放所有权
std::cout << "Shared ownership between 3 threads and released\n"
<< "ownership from main:\n"
<< " p.get() = " << p.get()
<< ", p.use_count() = " << p.use_count() << '\n';
t1.join(); t2.join(); t3.join();
std::cout << "All threads completed, the last one deleted Derived\n";
}
可能的输出结果
Base::Base()
Derived::Derived()
Created a shared Derived (as a pointer to Base)
p.get() = 0xc99028, p.use_count() = 1
Shared ownership between 3 threads and released
ownership from main:
p.get() = (nil), p.use_count() = 0
local pointer in a thread:
lp.get() = 0xc99028, lp.use_count() = 3
local pointer in a thread:
lp.get() = 0xc99028, lp.use_count() = 4
local pointer in a thread:
lp.get() = 0xc99028, lp.use_count() = 2
Derived::~Derived()
Base::~Base()
All threads completed, the last one deleted Derivedweak_ptr
std::weak_ptr 是一种智能指针，它对被 std::shared_ptr 管理的对象存在非拥有性（“弱”）引用。在访问所引用的对象前必须先转换为 std::shared_ptr。
std::weak_ptr 用来表达临时所有权的概念：当某个对象只有存在时才需要被访问，而且随时可能被他人删除时，可以使用 std::weak_ptr 来跟踪该对象。需要获得临时所有权时，则将其转换为 std::shared_ptr，此时如果原来的 std::shared_ptr 被销毁，则该对象的生命期将被延长至这个临时的 std::shared_ptr 同样被销毁为止。
std::weak_ptr 的另一用法是打断 std::shared_ptr 所管理的对象组成的环状引用。若这种环被孤立（例如无指向环中的外部共享指针），则 shared_ptr 引用计数无法抵达零，而内存被泄露。能令环中的指针之一为弱指针以避免此情况。
创建
void main( )
{
shared_ptr sptr( new Test ); // 强引用 1
weak_ptr wptr( sptr ); // 强引用 1 弱引用 1
weak_ptr wptr1 = wptr; // 强引用 1 弱引用 2
}
将一个weak_ptr赋给另一个weak_ptr会增加弱引用计数(weak reference count)。 所以，当shared_ptr离开作用域时，其内的资源释放了，这时候指向该shared_ptr的weak_ptr发生了什么？weak_ptr过期了（expired）。如何判断weak_ptr是否指向有效资源，有两种方法：
- 调用use-count()去获取引用计数，该方法只返回强引用计数，并不返回弱引用计数。
- 调用expired()方法。比调用use_count()方法速度更快。
从weak_ptr调用lock()可以得到shared_ptr或者直接将weak_ptr转型为shared_ptr
解决 shared_ptr 循环引用问题
class B;
class A
{
public:
A( ) : m_a(5) { };
~A( )
{
cout<<" A is destroyed"< m_sptrB;
int m_a;
};
class B
{
public:
B( ) : m_b(10) { };
~B( )
{
cout<<" B is destroyed"< m_sptrA;
int m_b;
};
void A::PrintSpB( )
{
if( !m_sptrB.expired() )
{
cout<< m_sptrB.lock( )->m_b< sptrB( new B );
shared_ptr sptrA( new A );
sptrB->m_sptrA = sptrA;
sptrA->m_sptrB = sptrB;
sptrA->PrintSpB( );
}
STL 智能指针的陷阱/不够智能的地方
- 尽量用make_shared/make_unique，少用new
std::shared_ptr在实现的时候使用的refcount技术，因此内部会有一个计数器（控制块，用来管理数据）和一个指针，指向数据。因此在执行std::shared_ptr p2(new A)的时候，首先会申请数据的内存，然后申请内控制块，因此是两次内存申请，而std::make_shared()则是只执行一次内存申请，将数据和控制块的申请放到一起。
- 不要使用相同的内置指针来初始化(或者reset)多个智能指针
- 不要delete get()返回的指针
- 不要用get()初始化/reset另一个智能指针
- 智能指针管理的资源它只会默认删除new分配的内存,如果不是new分配的则要传递给其一个删除器
- 不要把this指针交给智能指针管理
以下代码发生了什么事情呢？还是同样的错误。把原生指针 this 同时交付给了 m_sp 和 p 管理，这样会导致 this 指针被 delete 两次。 这里值得注意的是：以上所说的交付给m_sp 和 p 管理不对，并不是指不能多个shared_ptr同时占有同一类资源。shared_ptr之间的资源共享是通过shared_ptr智能指针拷贝、赋值实现的，因为这样可以引起计数器的更新；而如果直接通过原生指针来初始化，就会导致m_sp和p都根本不知道对方的存在，然而却两者都管理同一块地方。相当于”一间庙里请了两尊神”。
class Test{
public:
void Do(){ m_sp = shared_ptr(this); }
private:
shared_ptrm_sp;
};
int main()
{
Test* t = new Test;
shared_ptrp(t);
p->Do();
return 0;
} - 不要把一个原生指针给多个shared_ptr或者unique_ptr管理
我们知道，在使用原生指针对智能指针初始化的时候，智能指针对象都视原生指针为自己管理的资源。换句话意思就说：初始化多个智能指针之后，这些智能指针都担负起释放内存的作用。那么就会导致该原生指针会被释放多次！！
int* ptr = new int;
shared_ptr p1(ptr);
shared_ptr p2(ptr);
//p1,p2析构的时候都会释放ptr，同一内存被释放多次！
- 不是使用new出来的空间要自定义删除器
以下代码试图将malloc产生的动态内存交给shared_ptr管理；显然是有问题的，delete 和 malloc 牛头不对马嘴！！！ 所以我们需要自定义删除器{ free(p); }传递给shared_ptr。
int main()
{
int* pi = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
shared_ptr sp(pi);
return 0;
}
- 尽量不要使用 get()
智能指针设计者之处提供get()接口是为了使得智能指针也能够适配原生指针使用的相关函数。这个设计可以说是个好的设计，也可以说是个失败的设计。因为根据封装的封闭原则，我们将原生指针交付给智能指针管理，我们就不应该也不能得到原生指针了；因为原生指针唯一的管理者就应该是智能指针。而不是客户逻辑区的其他什么代码。 所以我们在使用get()的时候要额外小心，禁止使用get()返回的原生指针再去初始化其他智能指针或者释放。(只能够被使用，不能够被管理)。而下面这段代码就违反了这个规定：
int main()
{
shared_ptr sp(new int(4));
shared_ptr pp(sp.get());
return 0;
} https://zhuanlan.zhihu.com/p/650440110