智能指针的原理、使用和实现
1，智能指针的作用
C++程序设计中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，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。理解智能指针需要从下面三个层次：
- 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。
- 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。
- 智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：
Animal a = new Animal();
Animal b = a;
你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，
Animal a;
Animal b = a;
这里却是就是生成了两个对象。
2，智能指针的使用
智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件
- share_ptr的使用
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内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
- 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。
- 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，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，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。
#include
#include
int main() {
{
int a = 10;
std::shared_ptr ptra = std::make_shared(a);
std::shared_ptr ptra2(ptra); //copy
std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
int b = 20;
int *pb = &a;
//std::shared_ptr ptrb = pb; //error
std::shared_ptr ptrb = std::make_shared(b);
ptra2 = ptrb; //assign
pb = ptrb.get(); //获取原始指针
std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
}
return 0;
} - unique_ptr的使用
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。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。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。
#include
#include
int main() {
{
std::unique_ptr uptr(new int(10)); //绑定动态对象
//std::unique_ptr uptr2 = uptr; //不能賦值
//std::unique_ptr uptr2(uptr); //不能拷貝
std::unique_ptr uptr2 = std::move(uptr); //转换所有权
uptr2.release(); //释放所有权
}
//超過uptr的作用域，內存釋放
return 0;
} - weak_ptr的使用
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。
#include
#include
int main() {
{
std::shared_ptr sh_ptr = std::make_shared(10);
std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;
std::weak_ptr wp(sh_ptr);
std::cout << wp.use_count() << std::endl;
if(!wp.expired()){
std::shared_ptr sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr
*sh_ptr = 100;
std::cout << wp.use_count() << std::endl;
}
}
//delete memory
return 0;
} - 循环引用
考虑一个简单的对象建模——家长与子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。在Java 里边很好写，不用担心内存泄漏，也不用担心空悬指针，只要正确初始化myChild 和myParent，那么Java 程序员就不用担心出现访问错误。一个handle 是否有效，只需要判断其是否non null。
public class Parent
{
private Child myChild;
}
public class Child
{
private Parent myParent;
}在C++ 里边就要为资源管理费一番脑筋。如果使用原始指针作为成员，Child和Parent由谁释放？那么如何保证指针的有效性？如何防止出现空悬指针？这些问题是C++面向对象编程麻烦的问题，现在可以借助smart pointer把对象语义（pointer）转变为值（value）语义，shared_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。但是这个模型存在循环引用的问题，注意其中一个指针应该为weak_ptr。
原始指针的做法，容易出错。
#include
#include
class Child;
class Parent;
class Parent {
private:
Child* myChild;
public:
void setChild(Child* ch) {
this->myChild = ch;
}
void doSomething() {
if (this->myChild) {
}
}
~Parent() {
delete myChild;
}
};
class Child {
private:
Parent* myParent;
public:
void setPartent(Parent* p) {
this->myParent = p;
}
void doSomething() {
if (this->myParent) {
}
}
~Child() {
delete myParent;
}
};
int main() {
{
Parent* p = new Parent;
Child* c = new Child;
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
delete c; //vs2019测试，执行完这句会发生异常
}
return 0;
} #include
#include
class Child;
class Parent;
class Parent {
private:
std::shared_ptr ChildPtr;
public:
void setChild(std::shared_ptr child) {
this->ChildPtr = child;
}
void doSomething() {
if (this->ChildPtr.use_count()) {
}
}
~Parent() {
}
};
class Child {
private:
std::shared_ptr ParentPtr;
public:
void setPartent(std::shared_ptr parent) {
this->ParentPtr = parent;
}
void doSomething() {
if (this->ParentPtr.use_count()) {
}
}
~Child() {
}
};
int main() {
std::weak_ptr wpp;
std::weak_ptr wpc;
{
std::shared_ptr p(new Parent);
std::shared_ptr c(new Child);
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
wpp = p;
wpc = c;
std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2
}
std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 1
std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 1
return 0;//引用计数不为0，不会执行智能指针中的析构函数
} 正确的做法
#include
#include
class Child;
class Parent;
class Parent {
private:
//std::shared_ptr ChildPtr;
std::weak_ptr ChildPtr;
public:
void setChild(std::shared_ptr child) {
this->ChildPtr = child;
}
void doSomething() {
//new shared_ptr
if (this->ChildPtr.lock()) {
}
}
~Parent() {
}
};
class Child {
private:
std::shared_ptr ParentPtr;
public:
void setPartent(std::shared_ptr parent) {
this->ParentPtr = parent;
}
void doSomething() {
if (this->ParentPtr.use_count()) {
}
}
~Child() {
}
};
int main() {
std::weak_ptr wpp;
std::weak_ptr wpc;
{
std::shared_ptr p(new Parent);
std::shared_ptr c(new Child);
p->setChild(c);
c->setPartent(p);
wpp = p;
wpc = c;
std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
}
std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 0
return 0;
} 这样的话，资源Child的引用开始就只有1，当c析构时，Child的计数变为0，Child得到释放，Child释放的同时也会使Parent的计数减1，同时p析构时使Parent的计数减1，那么A的计数为0，Parent得到释放。
share_ptr和weak_ptr的核心实现
weakptr的作为弱引用指针，其实现依赖于counter的计数器类和share_ptr的赋值，构造，所以先把counter和share_ptr简单实现。
class Counter
{
public:
Counter() : s(0), w(0){};
int s; //share_ptr的引用计数
int w; //weak_ptr的引用计数
};counter对象的目地就是用来申请一个块内存来存引用基数，s是share_ptr的引用计数，w是weak_ptr的引用计数，当s为0时，删除Counter对象。
-
share_ptr的简单实现
template
class WeakPtr; //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用
template
class SharePtr
{
public:
SharePtr(T *p = 0) : _ptr(p)
{
cnt = new Counter();
if (p)
cnt->s = 1;
cout << "in construct " << cnt->s << endl;
}
~SharePtr()
{
release();
}
SharePtr(SharePtr const &s)
{
cout << "in copy con" << endl;
_ptr = s._ptr;
(s.cnt)->s++;
cout << "copy construct" << (s.cnt)->s << endl;
cnt = s.cnt;
}
SharePtr(WeakPtr const &w) //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用
{
cout << "in w copy con " << endl;
_ptr = w._ptr;
(w.cnt)->s++;
cout << "copy w construct" << (w.cnt)->s << endl;
cnt = w.cnt;
}
SharePtr &operator=(SharePtr &s)
{
if (this != &s)
{
release();//先处理this
(s.cnt)->s++;
cout << "assign construct " << (s.cnt)->s << endl;
cnt = s.cnt;
_ptr = s._ptr;
}
return *this;
}
T &operator*()
{
return *_ptr;
}
T *operator->()
{
return _ptr;
}
friend class WeakPtr; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值
protected:
void release()
{
cnt->s--;
cout << "release " << cnt->s << endl;
if (cnt->s < 1)
{
delete _ptr;
if (cnt->w < 1)
{
delete cnt;
cnt = NULL;
}
}
}
private:
T *_ptr;
Counter *cnt;
}; share_ptr的给出的函数接口为：构造，拷贝构造，赋值，解引用，通过release来在引用计数为0的时候删除_ptr和cnt的内存。
-
weak_ptr简单实现
template
class WeakPtr
{
public: //给出默认构造和拷贝构造，其中拷贝构造不能有从原始指针进行构造
WeakPtr()
{
_ptr = 0;
cnt = 0;
}
WeakPtr(SharePtr &s) : _ptr(s._ptr), cnt(s.cnt)
{
cout << "w con s" << endl;
cnt->w++;
}
WeakPtr(WeakPtr &w) : _ptr(w._ptr), cnt(w.cnt)
{
cnt->w++;
}
~WeakPtr()
{
release();
}
WeakPtr &operator=(WeakPtr &w)
{
if (this != &w)
{
release();
cnt = w.cnt;
cnt->w++;
_ptr = w._ptr;
}
return *this;
}
WeakPtr &operator=(SharePtr &s)
{
cout << "w = s" << endl;
release();
cnt = s.cnt;
cnt->w++;
_ptr = s._ptr;
return *this;
}
SharePtr lock()
{
return SharePtr(*this);
}
bool expired()
{
if (cnt)
{
if (cnt->s > 0)
{
cout << "empty" << cnt->s << endl;
return false;
}
}
return true;
}
friend class SharePtr; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值
protected:
void release()
{
if (cnt)
{
cnt->w--;
cout << "weakptr release" << cnt->w << endl;
if (cnt->w < 1 && cnt->s < 1)
{
//delete cnt;
cnt = NULL;
}
}
}
private:
T *_ptr;
Counter *cnt;
}; weak_ptr一般通过share_ptr来构造，通过expired函数检查原始指针是否为空，lock来转化为share_ptr。
参考：https://www.cnblogs.com/WindSun/p/11444429.html
https://www.cnblogs.com/wxquare/p/4759020.html