防止内存泄漏的神兵利器 — 智能指针

1.内存泄漏

1.1什么是内存泄漏

当我们在写C/C++程序的时候，难免会出现内存泄漏的错误，因为C/C++不像Java语言那样，拥有自己的垃圾回收机制，C/C++中对于资源的管理，完全交给程序员自己打理，也就是说使用C/C++的程序员可以直接和内存打交道，写出来的程序效率自然比其他语言的运行速度更快，这是C++的优点，但同样也是C++的缺点，因为，我们难以保证我们是否正确释放了不在使用的资源。比如：当我们因为疏忽大意而忘记释放不在使用的程序；又或者是我们记得释放不再使用的资源，但，因为程序中的执行流乱跳而导致程序没有执行到释放资源的代码；这个时候就会造成内存泄漏。内存泄漏简单来说就是 未释放不再使用的内存资源。

内存是一种有限的资源，使用完之后放回原处（还给操作系统），当程序中其他地方还需要使用的时候，直接向操作系统申请即可；但是，如果使用完之后没有放回原处（未还给操作系统），当其他程序向操作系统申请内存空间的时候，操作系统就会左拼右凑给该程序分配一块内存空间，但是当有非常巨大的内存空间没有还给操作系统时，操作系统就会很尴尬的说，“不好意思，没有，哪个谁谁谁还没还给我呢”，这个时候就会造成程序运行缓慢，严重的话还会造成程序卡死。所以我们应当避免内存泄漏。

1.2如何防止内存泄漏

通常来说，我们申请的内存资源，在不使用的时候记得释放即可，类似于一下代码

int* func()
{
	int* ptr = new int[10]; // 申请资源
	return ptr;
}

int main()
{
	int* ptr = func(); 
	delete[] ptr;      // 释放资源

	return 0;
}

但是总有一些特殊情况，比如在使用异常的时候，当捕获异常之后，程序执行流直接跳转到匹配的catch语句块中执行，如果在这之间跳过了释放资源的代码语句，就会造成资源泄漏问题；如以下代码：

int divi(int a,int b)
{
	if (0 == b)
		throw "处零错误";
	
	return a / b;
}

void func()
{
	int* ptr = new int;
	divi(4,0);

	cout << "释放资源" << endl;
	delete ptr;
}

int main()
{
	try
	{
		func();
	}
	catch (...)
	{
		cout << "出现除零错误" << endl;
	}

	return 0;
}

可以看出，当出现除0错误的时候，程序跳过了释放资源的语句，造成程序泄漏，所以光记得释放资源也不一定能避免内存泄漏问题，这个时候，C++的前辈们就引入了新的机制，通过智能指针来管理资源。

2.RAII和智能指针的关系

RAII(Resource Acquisition Is Initialization)是一种编程技术，即资源获得即初始化；智能指针是利用这个技术所实现的具体产物；所以学习智能指针之前，很有必要了解一下RAII的思想；RAII的核心思想是将资源的获取（初始化）与对象的构造绑定，将资源的释放与对象的析构绑定，从而把管理一份资源的责任托管给一个对象； 利用C++的作用域和析构函数的特性来自动管理资源，确保资源在不再需要时能够被自动释放，从而避免了资源泄漏和其他资源管理错误。

我们可以类比于局部的临时变量来理解，临时变量只在其作用域有效，当出了作用域就销毁了，这是在栈区上开辟资源的特性；但是我们申请的资源是在堆区的，堆区上的资源 生命周期是随进程的，不会像栈区上的资源那样自动释放，那如果通过栈区上的对象来管理堆区上的资源，是不是就可以保证资源的自动销毁呢？没错，这就是实现智能指针的思想。

RAII的简单代码如下：

template 
class RAII_test
{
public:
	smart_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr) // 资源的获取与对象的构造函数绑定
	{}

	~smart_ptr()   // 资源的释放与对象的析构函数绑定
	{
		delete _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

上述代码只是展示一下RAII思想，还不能称为智能指针，因为它还不能像指针一样使用；要想实现智能指针，还需要使其具有指针的行为，如：解引用，通过箭头访问。简单的智能指针代码如下：

template
class SmartPtr
{
public:
	// 1.RAII
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		cout << "delete:" << _ptr << endl;
		delete _ptr;
	}
	// 2.像指针一样使用
	T& operator*() {return *_ptr;}
	T* operator->() {return _ptr;}

private:
	T* _ptr;
};

3.C++标准库中的智能指针

3.1标准库中智能指针简介

智能指针可谓是解决内存泄漏的神兵利器，C++标准库中提供了四种智能指针，分别是auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr；这时，你就应该有一个大大的疑问了，为什么C++的标准库中要提供四种智能指针呢？提供一个不就好了吗，毕竟他们都是进行管理资源的。这其实和智能指针的拷贝有关。

智能指针之间的拷贝，不同于string，vector这些类的拷贝，这些类拷贝完之后，我们希望拷贝出来的对象拥有自己的资源，所以是深拷贝。而智能指针拷贝完成之后，我们希望拷贝的智能指针应该指向原来的资源，而不是指向自己独有的资源，所以智能指针之间的拷贝应该是浅；但是这就会造成析构两次的问题，第一次析构正常析构，第二次析构的指针就变成野指针了，析构野指针，程序崩溃。所以为了解决智能指针之间的拷贝问题，标准库中提供了四个智能指针。

各个智能指针解决拷贝问题的思想：

        auto_ptr：auto_ptr的实现思想是 管理权转移；但是auto_ptr很坑，会导致被拷贝对象置空，一般不建议使用。

        unique_ptr：unique_ptr的实现思想是 禁止拷贝；适用于不需要拷贝的场景。

        shared_ptr：shared_ptr的实现思想是 通过引用计数来管理资源的释放；允许自由拷贝，但是使用的时候要注意避免循环引用的问题。

        weak_ptr：weak_ptr主要 用来解决shared_ptr中的循环引用问题。

auto_ptr和unique_ptr比较简单，下面主要讲解一下shared_ptr。

3.2shared_ptr的引用计数的实现

我们知道shared_ptr是通过引用计数来支持拷贝的，抱着 “知其然，知其所以然” 的态度，我们一起来了解一下shared_ptr是如何通过引用计数来解决对象之间的拷贝问题。

大体思想就是一份资源配一个引用计数，无论多少个对象管理这份资源，都只有一个引用计数。具体实现就是，每个对象存一个找的这个引用计数的指针。如下图所示：​​​​​​​

shared_ptr具体实现可以参考下面这份简单的代码： 

template
class myshared_ptr
{
public:
	// RAII
	myshared_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
		, _pcount(new int(1))
	{}
	myshared_ptr(const myshared_ptr& sp)
	{
		_ptr = sp._ptr;
		_pcount = sp._pcount;

		// 拷贝时++计数
		++(*_pcount);
	}
	myshared_ptr& operator=(const myshared_ptr& sp)
	{
		//if (this != &sp)
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			release();

			_ptr = sp._ptr;
			_pcount = sp._pcount;

			// 拷贝时++计数
			++(*_pcount);
		}

		return *this;
	}
	void release()
	{
		// 说明最后一个管理对象析构了，可以释放资源了
		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
			delete _pcount;
		}
	}
    // 析构时，--计数，计数减到0，
	~myshared_ptr(){release();}

	// 像指针一样
	T& operator*(){return *_ptr;}
	T* operator->(){return _ptr;}
private:
	T* _ptr;
	int* _pcount;
};

3.3shared_ptr的循环引用问题

shared_ptr千般好万般好，但是在特殊场景下，也会存在缺陷，如以下代码：

struct Node
{
	int _val;
	myshared_ptr _next;
	myshared_ptr _prev;

	Node(int val = 0)
		:_val(val)
	{}

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

int main()
{
	myshared_ptr ptr1(new Node(1));
	myshared_ptr ptr2(new Node(2));

	ptr1->_next = ptr2;
	ptr2->_prev = ptr1;

	return 0;
}

 上面代码的场景如下图：

分析上述场景可知，该场景为有两个结点，结点中的myshared_ptr互相指向对方；析构的时候，ptr2指向的结点先析构，因为ptr1中的成员变量_next指向ptr2所指向的结点，所以引用计数减到1，右侧节点不会释放；析构ptr1指向的结点时，因为ptr2的成员变量_prev指向当前节点，引用计数减到1，左侧结点也不会释放。最终造成两个结点都不会释放，这就是shared_ptr在该场景下的循环引用问题。

为了解决循环引用问题，C++标准库提供了weak_ptr，将定义结点的代码改为下面这份代码即可解决问题：

struct Node
{
	int _val;
	std::weak_ptr _next;
	std::weak_ptr _prev;

	Node(int val = 0)
		:_val(val)
	{}

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

当使用weak_ptr时，在该场景下，ptr1和ptr2所指向的结点的引用计数，不会因为对方的成员变量weak_ptr类型的对象指向彼此而增加。使用weak_ptr后场景如下：

当对方中的_prev和_next是weak_ptr时，引用计数不会增加，析构的时候，ptr2先析构，引用计数减到0，析构ptr2指向的结点；ptr1再析构，同理，引用计数减到0，析构ptr1所指向的结点；最终，两个结点都析构了。