【C++】智能指针：auto_ptr、unique_ptr、share_ptr、weak_ptr（技术介绍 + 代码实现）（待更新）
文章目录
- 0. 概述
-
- 智能指针，智能在哪儿？
- RAII 的介绍
- 四个智能指针的特点：
- 1. auto_ptr（C++98）
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- 核心功能的简单实现
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- 2. unique_ptr（C++11）
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- 核心功能的简单实现
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- 3. shared_ptr（C++11）
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-
- 核心功能的简单实现
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0. 概述
智能指针，智能在哪儿？
- 使用了模板类，建立的是 智能指针对象，自动调用智能指针类型的构造和析构函数。也就是说，对于动态开辟的空间如果用智能指针保存，就不需要手动释放啦，极大程度降低了内存泄漏的风险。
- 这样利用对象生命周期进行程序资源控制的技术就是 RAII。
- 对
*和->的重载，使 智能指针对象 具有指针的行为能力，能让用户像使用指针一样的使用。
RAII 的介绍
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。
四个智能指针的特点：
我把四个智能指针的特点介绍在前面，你若还有什么细节问题再去具体的栏目下翻找吧~
auto_ptr：管理权转移，通过拷贝构造函数和赋值重载函数来实现。- 原对象拷贝给新对象的时候，原对象就会被设置为nullptr，此时就只有新对象指向一块资源空间。
- 会出现指针悬空问题。
unique_ptr：禁用拷贝构造和赋值构造- unique_ptr(unique_ptr&) = delete;
- operator=(unique_ptr&) = delete;
share_ptr：引用计数- 计数的对象在堆上，所有线程都能访问，因此需要锁保证其安全性
- 会出现循环引用的问题
weak_ptr：弱关联性- weak_ptr 类的对象它可以指向 shared_ptr，并且不会改变 shared_ptr 的引用计数
1. auto_ptr（C++98）
核心功能：管理权转移
管理权转移的同时也会导致 原指针悬空，容易造成野指针问题，不推荐使用。
核心功能的简单实现
namespace ttang
{
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
auto_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~auto_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
// 无力吐槽的神拷贝...
// 管理权转移：导致的是原来的指针悬空，很多公司明令禁止使用 auto_ptr
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = nullptr;
}
T* operator=(auto_ptr<T>& ap)
{
T* tmp = ap._ptr;
ap._ptr = nullptr;
return tmp;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
--------------------------------------------------
void test_auto()
{
auto_ptr<int> ap1(new int(1));
auto_ptr<int> ap2(ap1);
*ap1 = 1; // err...管理权转移以后导致ap1悬空，不能访问
*ap2 = 1;
}
}
2. unique_ptr（C++11）
核心功能：防拷贝（
= delete声明拷贝构造和复制重载）
unique_ptr 的指针，简单粗暴，是防了拷贝，不过也只解决了不需要拷贝的场景。
（ps：从 boost 里面吸收来的）
（pps：需要拷贝的场景就需要使用到接下来会介绍的 shared_ptr 和 weak_ptr 了）
核心功能的简单实现
namespace ttang
{
template<class T>
class unique_ptr
{
private:
T* _ptr;
public:
unique_ptr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~unique_ptr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
}
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
// C++11思路：设置不许再实现了，语法直接支持的（不需要私有了）
unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete; // 严格来说赋值也封了更好一点
// C++98思路：只声明不实现，但是用的人可能会在外面强行定义，所以再加一条，声明为私有
//private:
// unique_ptr(const unique_ptr& up);
// unique_ptr& operator=(const unique_ptr& up);
};
--------------------------------------------------
void test_unique()
{
unique_ptr<int> up1(new int(1));
unique_ptr<int> up2(up1); // err...
}
}
3. shared_ptr（C++11）
核心功能：引用计数
之前在一开始的概述部分介绍了两个智能指针为什么智能的原因，走到了 shared_ptr，我们的智能指针就真的更神了，他甚至还引申出 智能指针三大件 的说法：
- RAII
- 想指针一样使用
- 可以拷贝（浅拷贝！！）
他可以对同一个对象拷贝的同时，还可以在最后一个智能指针使用完毕后调用其析构函数，使用的是引用计数的技术。
在具体对 shared_ptr 实现之前，对于这里的 引用计数，可以稍微探讨一下：
1）如果要使用引用计数，设置一个静态变量 count 行不行呢？不行，因为静态变量属于所有对象。而 每实例化一个对象都可能多有个资源，每个资源应该配对一个引用计数。
2）如果是多个线程去调用引用计数，还需要保证其线程安全，那就加个锁吧。
3）计数加锁后，shared_ptr 本身就会是线程安全的，但是他生成的对象不是线程安全的。
核心功能的简单实现
namespace ttang
{
template<class T>
class shared_ptr
{
private:
T* _ptr;
int* _pcount;
mutex* _pmtx; // 锁也得是指针，因为是多个指针指向同一把锁
function<void(T*)> _del = [](T* ptr) { // 解决对 deletor 的保存问题，需要一个缺省的！！
cout << "lambda delete:" << ptr << endl;
delete ptr;
};
public:
shared_ptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _pcount(new int(1)) // 每个资源都分配一个引用计数count
, _pmtx(new mutex) // 每个资源都有一把锁，保证自己资源计数安全
{}
// 定制删除器（通过仿函数实现的！--是可调用对象，所以我们拿的一个function定义_del）
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new int(1))
, _pmtx(new mutex)
, _del(del)
{}
~shared_ptr()
{
Release();
}
void Release()
{
_pmtx->lock();
bool deleteFlag = false;
if (--(*_pcount) == 0)
{
if (_ptr)
{
//cout << "delete:" << _ptr << endl;
//delete _ptr;
_del(_ptr); // 如果_del 不给缺省的话，这里默认的构造可能会出问题
}
delete _pcount;
deleteFlag = true;
// delete _pmtx; 锁也要释放的呀，可以下面又要解锁。如何解决？
}
_pmtx->unlock();
if (deleteFlag)
{
delete _pmtx;
}
}
void AddCount()
{
_pmtx->lock();
++(*_pcount);
_pmtx->unlock();
}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
, _pmtx(sp._pmtx)
{
AddCount();
}
// 正常赋值：
// sp1 = sp4; 被赋值sp1的肯定要--，sp4要++
// 自己给自己赋值：
// sp1 = sp1; 自己给自己
// sp1 = sp2;（管理同样资源） 也是自己给自己 if(&sp != this)不得行哦，防不了这一种
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
Release();
_ptr = sp._ptr;
_pcount = sp._pcount;
_pmtx = sp._pmtx;
AddCount();
}
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
int use_count()
{
return *_pcount;
}
};
}
// 跟库里不一样，简易版的蛤
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
:_ptr(nullptr)
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T* get()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
void test_shared()
{
shared_ptr<int> sp1(new int(1));
shared_ptr<int> sp2(sp1);
shared_ptr<int> sp3(sp2);
shared_ptr<int> sp4(new int(10));
//sp1 = sp4;
sp4 = sp1;
sp1 = sp1;
sp1 = sp2;
}
// 多线程的问题！！！！！！！
struct Date
{
int _year = 0;
int _month = 0;
int _day = 0;
};
// shared_ptr本身是线程安全的，因为计数是加锁保护
// shared_ptr管理的对象是否是线程安全？不是
void SharePtrFunc(ttang::shared_ptr<Date>& sp, size_t n, mutex& mtx)
{
//cout << sp.get() << endl;
//cout << &sp << endl;
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。
ttang::shared_ptr<Date> copy(sp);
mtx.lock();
sp->_year++;
sp->_day++;
sp->_month++;
mtx.unlock();
}
}
void test_shared_safe()
{
ttang::shared_ptr<Date> p(new Date);
cout << p.get() << endl;
const size_t n = 10000;
mutex mtx;
thread t1(SharePtrFunc, ref(p), n, ref(mtx)); // 线程中以引用传递对象参数，必须加一个ref()，是一个库函数，否则会认为是传值传参会报错。
thread t2(SharePtrFunc, ref(p), n, ref(mtx)); // 13 底下可以检测，19 是直接报错
//cout << &p << endl;
t1.join();
t2.join();
cout << p.use_count() << endl;
cout << p->_year << endl;
cout << p->_month << endl;
cout << p->_day << endl;
}
// 循环引用的问题！！！！！！！
struct ListNode
{
/*ListNode* _next;
ListNode* _prev;*/
//ttang::shared_ptr _next;
//ttang::shared_ptr _prev;
ttang::weak_ptr<ListNode> _next; // weak_ptr解决循环引用的问题，他可以指向资源，但是他不参与管理，不增加应用计数
ttang::weak_ptr<ListNode> _prev;
int _val;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
// 循环引用场景：
// 有智能指针 n1 和 n2 指向结构体，里面包含的智能指针又相互指了！！出现闭环，导致_count无法到0无法析构！！
// 循环引用--》内存泄漏
// 主要原理：成员的生命周期，取决于对象的生命周期，对象的生命周期结束则成员调用析构函数，成员源于被另一个智能指针管理，无法释放，形成闭环。
void test_shared_cycle()
{
/*ListNode* n1 = new ListNode;
ListNode* n2 = new ListNode;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1; // 会出现抛异常未释放的情况，所以我们现在并不推荐这么写！
// 那怎么写呢？--》智能指针~
delete n1;
delete n2;*/
ttang::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode); // std 里面只能这样显示的调构造
ttang::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2; // 链接的时候，智能指针（n2）怎么赋值给原生指针（_next）呢？把ListNode里的指针改成智能指针就好了！
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
}
// weak_ptr
// 1、他不是常规的智能指针，不支持RAII
// 2、支持像指针一样
// 3、专门设计出来，辅助解决shared_ptr的循环引用问题
// weak_ptr可以指向资源，但是他不参与管理，不增加引用计数
// 定制删除器 -- 可调用对象
template<class T>
struct DeleteArray
{
void operator()(T* ptr)
{
cout << "void operator()(T* ptr)" << endl;
delete[] ptr;
}
};
//void test_shared_deletor()
//{
// std::shared_ptr spa1(new Date[10], DeleteArray());
// std::shared_ptr spa2(new Date[10], [](Date* ptr){
// cout << "lambda delete[]"<
// delete[] ptr;
// });
// std::shared_ptr spF3(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr){
// cout << "lambda fclose" << ptr << endl;
// fclose(ptr);
// });
//}
void test_shared_deletor()
{
ttang::shared_ptr<Date> sp0(new Date);
ttang::shared_ptr<Date> spa1(new Date[10], DeleteArray<Date>());
ttang::shared_ptr<Date> spa2(new Date[10], [](Date* ptr) {
cout << "lambda delete[]:" << ptr << endl;
delete[] ptr;
});
ttang::shared_ptr<FILE> spF3(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
cout << "lambda fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
});
}
}
// 智能指针的个间区别 unique、share、weak