C++智能指针(一)——shared_ptr初探

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1. 普通指针存在的问题

智能指针的引入，是为了解决普通指针在使用过程中存在的一些问题：其中内存泄漏以及空悬指针是最主要的问题。

正常使用普通指针，我们需要 new 分配内存，使用 delete 释放资源，一旦项目很庞大，尤其是在多个地方共享同一个指针时，产生内存泄漏的风险很大，且需要更多的代码来管理指针。

下面举一个具体实例，比如两个对象共享同一个指针，此时对于该指针在什么时候释放需要更多地代码来判断，以防止内存泄漏与访问空悬指针。

#include 
#include 
class Person
{
public:
	string name;
	Person* child;
	
	Person(const string& n, Person* c = nullptr) : name(n), child(c) {
	}
    
    ~Person() {
		std::cout << "delete" << name << std::endl;
	}
}

int main()
{
	Person* son = new Person("hhhcbw");
	Person father("c", son);
	Person mother("z", son);
	delete son;
	std::cout << father.child->name << std::endl; // ERROR: ask hanging pointer
}

为了解决普通指针的痛点，引入智能指针。

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2. Class shared_ptr

shared_ptr 从字面就可以看出，该智能指针类主要用于共享资源，其能保证当最后一个对对象的引用被删除后，对象本身被删除(包括一些内存与资源的释放)。

2.1 使用 shared_ptr

使用 shared_ptr 与使用普通指针差不多。可以赋值，拷贝以及比较 shared_ptr，也可以使用操作符 * 和 -> 来访问指针指向的对象。举一个例子：

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
	// two shared pointers representing two persons by their name
	shared_ptr<string> pNico(new string("nico"));
	shared_ptr<string> pJutta(new string("jutta"));
	// capitalize person names
	(*pNico)[0] = ’N’;
	pJutta->replace(0,1,"J");
	// put them multiple times in a container
	vector<shared_ptr<string>> whoMadeCoffee;
	whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
	whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
	whoMadeCoffee.push_back(pNico);
	whoMadeCoffee.push_back(pJutta);
	whoMadeCoffee.push_back(pNico);
	// print all elements
	for (auto ptr : whoMadeCoffee) {
	cout << *ptr << " ";
	}
	cout << endl;
	// overwrite a name again
	*pNico = "Nicolai";
	// print all elements again
	for (auto ptr : whoMadeCoffee) {
	cout << *ptr << " ";
	}
	cout << endl;
	// print some internal data
	cout << "use_count: " << whoMadeCoffee[0].use_count() << endl;
}

上面的代码，具体表现如下图所示
输出如下

Jutta Jutta Nico Jutta Nico
Jutta Jutta Nicolai Jutta Nicolai
use_count: 4

2.1.1 初始化 shared_ptr

shared_ptr 类定义在 里，需要注意的是，shared_ptr 的使用一个指针作为单独参数的构造函数是显式的(explicit)，因此不能使用赋值符号，来将普通指针赋值给 shared_ptr：

shared_ptr<string> pNico = new string("nico"); // ERROR
shared_ptr<string> pNico{new string("nico")}; // OK

也可以使用函数 make_shared() 来创建 shared_ptr，且这样更快且更安全：因为相比于前面的初始化的两次分配内存(一次给对象，一次给共享指针的共享数据)，使用函数 make_shared() 只需要一次分配内存，完成两个步骤。

注意，尽量不要对一个已有普通指针，创建共享指针，如：

string* pNico = new string("nico");
shared_ptr<string> spNico(pNico);

如果pNico被设为nullptr，spNico.use_count()=1 且字符串未被释放，正常输出 nico。
但如果spNico被设为nullptr，此时字符串被释放，但pNico还保存该地址！！

2.1.2 reset

可以先声明一个共享指针，然后给该共享指针分配一个新的指针。当然，不能使用赋值操作，要使用 reset() 方法：

shared_ptr<string> pNico4;
pNico4 = new string("nico"); // ERROR: no assignment for ordinary pointers
pNico4.reset(new string("nico")); // OK

2.1.3 访问数据

与普通指针类似，使用 * 与 ->：

(*pNico)[0] = ’N’;
pJutta->replace(0,1,"J");

2.1.4 use_count()

use_count() 表示当前拥有该对象的所有共享指针的数量，当一个共享指针被删除后，use_count()-1，反之，use_count()+1。

上面例子中，pJutta 本身算一个，容器 vector 里还有三个，所有 use_count() = 4

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3. Deleter

当最后一个拥有者被删除后，共享指针为对象调用 delete 进行内存和资源的释放。这不一定在作用域结束处发生，比如上面的例子中，当给 pNico 赋值 nullptr 且在将 vector resize 为 2, 也会导致最后一个拥有者被删除，以至调用 delete。

3.1 定义一个 Deleter

我们甚至可以自定义 Deleter，例如在删除引用对象前输出一条信息：

shared_ptr<string> pNico(new string("nico"),
[](string* p) {
cout << "delete " << *p << endl;
delete p;
});
...
pNico = nullptr; // pNico does not refer to the string any longer
whoMadeCoffee.resize(2); // all copies of the string in pNico are destroyed

这里传入一个lambda表达式，作为 shared_ptr 构造函数的第二个参数，当然对于任何可调用的对象都是可以的，比如函数与重载了()运算符的类与std::function，比如下面的代码就是重载了 () 运算符的类：

#include 
#include  // for ofstream
#include  // for shared_ptr
#include  // for remove()
class FileDeleter
{
private:
std::string filename;
public:
FileDeleter (const std::string& fn)
: filename(fn) {
}
void operator () (std::ofstream* fp) {
fp->close(); // close.file
std::remove(filename.c_str()); // delete file
}
};

int main()
{
// create and open temporary file:
std::shared_ptr<std::ofstream> fp(new std::ofstream("tmpfile.txt"),
FileDeleter("tmpfile.txt"));
...
}

3.2 处理数组

shared_ptr 提供的默认deleter调用 delete 而不是 delete[]。这意味着默认 deleter只有在共享指针拥有的是一个单独由new创建的对象才有效。需要注意的是，给一个数组创建共享指针是可能的，但是是错误的：

std::shared_ptr<int> p(new int[10]); // ERROR, but compiles

所以，如果要使用 new[] 来创建一个对象数组，需要定义自己的 deleter。可以传入一个函数、function object或lambda，在内部调用 delete[]，例如：

std::shared_ptr<int> p(new int[10],
[](int* p) {
delete[] p;
});

也可以使用提供给 unique_ptr 的官方helper，其内部调用 delele[]

std::shared_ptr<int> p(new int[10],
std::default_delete<int[]>());

当然，unique_ptr 与 shared_ptr 在数组的处理上有一定的区别，更详细地会在 unique_ptr 讲解

std::unique_ptr<int[]> p(new int[10]); // OK
std::shared_ptr<int[]> p(new int[10]); // ERROR: does not compile
std::unique_ptr<int,void(*)(int*)> p(new int[10],
[](int* p) {
delete[] p;
});

shared_pr 不提供操作符 []。