C++ 面试常考的智能指针原理

智能指针 利用对象生命周期来控制程序资源

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

所以指针只能看似来像指针，其实是一个类，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：
(1) 不需要用户显式地释放资源
(2) 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

C++ 常用的智能指针

(1) auto_ptr 是 C++98 版的，但是被 C++11 淘汰了，是因为使用它的危险很大，采用的所有权模式，当一个指针拷贝给另一个指针时，自己的权限会发生转移，所以存在内存崩溃的风险

(2) unique_ptr 可以替换 auto_ptr 智能指针，实现独占式的概念， 保证同一时间只有一个智能指针可以指向该对象，如果在赋值的时候，编译器觉得该操作可能会发生错误，则编译不会通过，如果被赋值的是一个临时右值，则编译器允许这样做

例：

unique_ptr pu1(new string ("hello world"));
unique_ptr pu2;
pu2 = pu1;   // #1 编译器不允许
unique_ptr pu3;
// #2 编译器允许以下操作
pu3 = unique_ptr(new string ("You"));   

简单模拟 unique_ptr 智能指针

// 模拟实现一份简答的UniquePtr,了解原理
template<class T>
class UniquePtr{
public:
	UniquePtr(T * ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}
	~UniquePtr(){
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}
	T& operator*() { return *_ptr; }
	T* operator->() { return _ptr; }
private:
	// 方法一：C++98防拷贝的方式：只声明不实现 + 声明成私有
	UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
	UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
	
	// 方法二：C++11防拷贝的方式：delete
	UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
	UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;
private:
	T * _ptr;
};

(3) shared_ptr 通过 引用计数 的方式表明资源被几个指针使用，来实现内存资源共享，当某个对象销毁的时候，就将对应的资源计数减一，如果计数为 0，就释放该资源。如果计数不为0就贸然的释放了资源，那么其他使用该资源的对象就成了野指针！

它有两个缺陷 ：(1) 线程不安全 （2）循环引用

当多个对象去使用同一份资源的时候必然会造成线程不安全
而引用计数的操作不是原子操作，所以可能会导致资源未释放或程序奔溃问题，所以需要在进行计数的时候加锁。

虽然说 shared_ptr 加锁后解决了指针独占的问题，而且引用计数是一种便利的内存管理机制，但它有一个很大的缺点，那就是不能管理循环引用的对象，会造成循环引用，导致析构函数无法被调用造成内存泄露。

我们首先解释解释，啥是循环引用？

两个智能指针相互指向，导致最后的对象资源的计数不能减为 0 而无法调用析构函数，那么内存就会泄漏

例如：

#include 
#include 
using namespace std;

template <typename T>
class Node{
public:
	Node(const T& value)
		:_pPre(NULL)
		, _pNext(NULL)
		, _value(value)
	{
		cout << "Node()" << endl;
	}

	~Node(){
		cout << "~Node()" << endl;
		cout << "this:" << this << endl;
	}

	shared_ptr<Node<T>> _pPre;
	shared_ptr<Node<T>> _pNext;
	T _value;
};

void Funtest(){
	shared_ptr<Node<int>> sp1(new Node<int>(1));
	shared_ptr<Node<int>> sp2(new Node<int>(2));

	cout << "sp1.use_count:" << sp1.use_count() << endl;
	cout << "sp2.use_count:" << sp2.use_count() << endl;

	sp1->_pNext = sp2;
	sp2->_pPre = sp1;

	cout << "sp1.use_count:" << sp1.use_count() << endl;
	cout << "sp2.use_count:" << sp2.use_count() << endl;
}

运行结果没有调用析构函数，而且资源也没有释放

那么应该怎么解决这个问题？

利用 weak_ptr 智能指针，在进行指向的时候不会对资源进行计数，也就是说他的构造和析构不会引起引用计数的增加或者减少，如果说两个 shared_ptr 相互引用，那么这两个指针的计数永远都不可能变为0，资源永远都不会释放

注意：这种方法仅限于编译的时候，意思就是当你能预见编译器期间会出现内存泄漏的情况，你再去使用它可以解决这个循环引用的问题，但是如果在运行阶段出现了循环引用，还是会内存泄漏的。

template <typename T>
class Node{
public:
	Node(const T& value)
		: _value(value)
	{
		cout << "Node()" << endl;
	}

	~Node(){
		cout << "~Node()" << endl;
		cout << "this:" << this << endl;
	}

	weak_ptr<Node<T>> _pPre;
	weak_ptr<Node<T>> _pNext;
	T _value;
};

void Funtest(){
	shared_ptr<Node<int>> sp1(new Node<int>(1));
	shared_ptr<Node<int>> sp2(new Node<int>(2));

	cout << "sp1.use_count:" << sp1.use_count() << endl;
	cout << "sp2.use_count:" << sp2.use_count() << endl;

	sp1->_pNext = sp2;
	sp2->_pPre = sp1;

	cout << "sp1.use_count:" << sp1.use_count() << endl;
	cout << "sp2.use_count:" << sp2.use_count() << endl;
}

---

实现一个简单的智能指针

(1) 实现智能指针的 RAII 特性，在构造函数中接收用户资源，析构函数中释放资源，可以通过定制删除器的方式，或者仿函数

(2) 重载解引用操作和取值操作，使它具有像指针一样的行为.

// 定制删除器，这是一个仿函数
template<class T>
struct DeleteArrayFunc {
	void operator()(T* ptr){
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

template<class T>
class SmartPtr {
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}

	~SmartPtr(){
		if (_ptr) {
			delete _ptr;
		}
	}
	// 重载指针操作
	T& operator*() { return *_ptr; }
	T* operator->() { return _ptr; }
private:
	T* _ptr;
};

struct Date{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main(){
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10;
	cout << *sp1 << endl;
	SmartPtr<Date> sparray(new Date);
	sparray->_year = 2018;
	sparray->_month = 1;
	sparray->_day = 1;

	return 0;
}