C++11之智能指针

前言

C++程序设计中，动态内存的管理式通过一对运算符来完成的：new和delete。
使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，困难点在于确保在正确的时间释放内存。有时使用完对象后，忘记释放内存，造成内存泄漏的问题。
C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。

1、智能指针概念

智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。 所谓的智能指针本质就是一个类模板，它可以创建任意的类型的指针对象，当智能指针对象使用完后，对象就会自动调用析构函数去释放该指针所指向的空间。
所有的智能指针类模板中都需要包含一个指针对象，构造函数和析构函数。
理解智能指针需要从下面三个层次：

1. 从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
2. 智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
3. 智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。

补充：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。优点：

	1.  不需要显式地释放资源。
	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。

2. 智能指针的定义和使用

智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。auto_ptr是c++98版本库中提供的智能指针，这里也简单介绍一下。

2.1 auto_ptr（C++11已经抛弃）

该指针采取的措施是管理权转移的思想，也就是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。
如果auto_ptr调用拷贝构造函数或者赋值重载函数后，如果再去使用原来的对象的话，那么整个程序就会崩溃掉（因为原来的对象被设置为nullptr)，这对程序是有很大的伤害的。所以很多公司会禁用auto_ptr智能指针。

2.2 share_ptr

shared_ptr允许多个智能指针可以指向同一块资源，并且能够保证共享的资源只会被释放一次，因此是程序不会崩溃掉。
shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数(_ptrcount)是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。(因为_ptrcount指向的对象是在堆上，因此所有的线程都能够访问到该资源，多线程在修改_ptrcount时，则会出现线程安全问题，因此需要在修改_prtcount时需要用锁来保证其数据的正确性。)
share_ptr使用：

• 初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared_ptr p4 = new int(1);的写法是错误的；
• 拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。

int a = 10;
std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a);
std::shared_ptr<int> ptrb(ptra); //copy

• get函数获取原始指针。
• 注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存
• 注意避免循环引用，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。

2.3 unique_ptr

unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象。它直接将拷贝构造函数和赋值重载函数给禁用掉，因此，不让其进行拷贝和赋值。
unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。
unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。

2.4 weak_ptr

shared_ptr也存在问题。假设我们要使用定义一个双向链表，如果我们想要让创建出来的链表的节点都定义成shared_ptr智能指针，那么也需要将节点内的_pre和_next都定义成shared_ptr的智能指针。如果定义成普通指针，那么就不能赋值给shared_ptr的智能指针。当其中两个节点互相引用的时候，就会出现循环引用的现象。

struct ListNode{
std::shared_ptr<ListNode> _Pre;
std::shared_ptr<ListNode> _Next;
};

int main(){
std::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
node1._Next = node2;
node2._Pre = node1;
}

• 当创建出node1和node2智能指针对象时，引用计数都是1;
• 当node1的next指向node2所指向的资源时，node2的引用计数就+1，变成2，node2的pre指向noede1所指向的资源时，node1的引用计数+1，变成2;
• 当这两个智能指针使用完后，调用析构函数，引用计数都-1，都变成1，由于引用计数不为0，所以node1和node2所指向的对象不会被释放;
• 当node1所指向的资源释放需要当node2中的_prev被销毁，就需要node2资源的释放，node2所指向的资源释放就需要当node1中的_next被销毁，就需要node1资源的释放。
• 因此node1和node2都有对方的“把柄”，这两个就造成循环引用现象，最终这node1和node2资源就不会进行释放。

c++库中存在weak_ptr类型的智能指针。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。一旦最后一个shared_ptr被销毁时，对象就会被释放。

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->，它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。

struct ListNode{
std::weak_ptr<ListNode> _Pre;
std::weak_ptr<ListNode> _Next;
};

int main(){
std::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
node1._Next = node2;
node2._Pre = node1;
}