[置顶] C++ — 智能指针的简单实现以及循环引用问题

                        智能指针

今天我们来看一个高大上的东西，它叫智能指针。 哇这个名字听起来都智能的不得了，其实等你了解它

你一定会有一点失望的。。。。因为它说白了就是个管理资源的。智能指针的原理就是管理资源的RALL机

制，我们先来简单了解一下RALL机制：

RALL机制便是通过利用对象的自动销毁，使得资源也具有了生命周期，有了自动销毁（自动回收）的功能。

RAII全称为Resource Acquisition Is Initialization，它是在一些面向对象语言中的一种惯用法。RAII

源于C++，在Java，C#，D，Ada，Vala和Rust中也有应用。

资源分配即初始化，定义一个类来封装资源的分配和释放，在构造函数完成资源的分配和初始化，在析构

函数完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放。RAII要求，资源的有效期与持有资源的对象的

生命期严格绑定，即由对象的构造函数完成资源的分配(获取)，同时由析构函数完成资源的释放。在这种

要求下，只要对象能正确地析构，就不会出现资源泄露问题。

RALL在这里就是简单提一下而已，现在我们来看我们今天的主角智能指针。

 

智能指针（smart pointer）是存储指向动态分配（堆）对象指针的类。它的诞生理由就是，为粗心和懒的

人 设计的，但是这个设计一定不是反人类的，因为无论你有多厉害只要你是人你总会有犯错误的时候，所

以智能 指针可以很好地帮助我们， 程序员每次  new  出来的内存都要手动  delete 。程序员忘记  delete ，流

程太复 杂， 最终导致没有  delete ，异常导致程序过早退出，没有执行  delete  的情况并不罕见。其实智能

指针只是怕你 忘了delete，而专门设置出来的一个对象。有没有感觉它顿时不够智能呢，但是你绝对不能否

认它的实用性和 重要性。

现在我们来看看智能指针的使用吧:

对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并非指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针通

过析 构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了“ operator-> ”操作符，直接返回对象的引用，用

以操作 对象。访问智能指针原来的方法则使用“ . ”操作符。

先抛开智能指针的几个版本不说，我们先来讲一下它里面的 * 和 -> 是如何进行运算符重载的。

下面是我定义的一个类，他只是为了实现原生指针的 * 和 -> 功能：

struct AA
{
	int a = 10;
	int b = 20;
};
template<class T>
class A
{
public:

	A(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	A(A<T>& ap)
	{}
	A<T>& operator=(A<T>& ap)
	{}
	~A()
	{delete _ptr;}
protected:
	T* _ptr;
};

int main()
{
	A<int>ap1(new int);
	*ap1 = 10;
	A<AA>ap2(new AA);
	cout << *ap1 << endl;
	cout << (ap2->a)<<"  "<<(ap2->b) << endl;
	return 0;
}

请忽略这个粗糙的A类和AA结构体，我们的目的只是实现原生函数的功能，那么我的功能实现了吗？

           

这里结果没有一点问题，那么我们现在的注意点就应该放在这里是如何实现的：

智能指针的三大版本的实现==>

好了前面那些磨人的小妖精终于清理完了，现在我们真真正正的进入主题，智能指针的发展史以及它的常见的三个版本。

                       1.管理权转移   2.简单粗暴的防拷贝  3.引用计数版本

注意这里我只是实现简单的思想，可能写的不是很好，望大家指出帮助我改正错误。

管理权转移==>

这个智能指针是1998应用到VS上的，现在我们来实现第一个，何为管理权转移呢？

现在我列出该思想的实现代码:

template<class T>
class AutoPtr
{
public:

	AutoPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
	{
		this->_ptr = ap._ptr;
		ap._ptr = NULL;
	}
	AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
	{
		if (this != &ap)
		{
			delete this->_ptr;
			this->_ptr = ap._ptr;
			ap._ptr = NULL;
		}
		return *this;
	}
	~AutoPtr()
	{
		cout << "智能指针爸爸已经释放过空间了" << endl;
		delete _ptr;
	}
protected:
	T* _ptr;
};

int main()
{
	AutoPtr<int>ap1(new int);
	*ap1 = 10;
	AutoPtr<int>ap2(ap1);
	AutoPtr<int>ap3(ap2);
	*ap3 = 20;
	ap2 = ap3;
	cout << *ap2 <<endl;

	return 0;
}

现在我们先看看它使用普通操作时的结果如何:

现在的结果真的太符合我们的预料了，我们要的就是这样的结果，当你还沉浸自己成功的喜悦的时候

，这里虽然 成功实现了自动释放空间的功能还有指针的功能，但是看看下面这种情况:

我们把main函数内修改成这个样子:

int main()
 {
AutoPtr<int>ap1(new int);
*ap1 = 10;
AutoPtr<int>ap2(ap1);
cout << *ap1 << endl;
return 0;
 }

然后结果。。调试到这一步程序崩溃了，罪魁祸首就是AutoPtr<int>ap2(ap1)，这里原因就是ap2完全

的夺取了 ap1的管理权。然后导致ap1无家可归，访问它的时候程序就会崩溃。如果在这里调用ap2 = ap1

程序一样会崩溃 原因还是ap1被彻彻底底的夺走一切，所以这种编程思想及其不符合C++思想，所以它的

设计思想就是有一定的缺 陷。

所以一般不推荐使用Autoptr智能指针。 使用了也绝对不能使用"="和拷贝构造。

历史在发展，所以我们见到接下来这种想法:  

简单粗暴法（防拷贝）==>

scoped智能指针 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 

便可以使用。scoped智能指针 跟 AutoPtr智能指针 一样，可以方便的管理单个堆内存对象，特别的是，

scoped智能指针 独享所有权，避免了 AutoPtr智能指针恼人的几个问题，它直接就告诉用户我不提供"="和拷贝

构造这两个功能，你别用，用了我也让你编不过去。

来看它的实现:

template<class T>
class ScopedPtr
{
public:
	ScopedPtr()
	{}
	AutoPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	~AutoPtr()
	{
		cout << "智能指针爸爸已经释放过空间了" << endl;
		delete _ptr;
	}

protected:
	ScopedPtr(ScopedPtr<T>& s);
	ScopedPtr<T> operator=(ScopedPtr<T>& s);
protected:
	T* _ptr;
};

它的意思就是，我根本不会提供拷贝构造 和 "="的功能，他强任他强，我就是这样。他确实解决上

一个智能指针 的问题，他直接让用户不能使用这个功能，这个思想确实有点反人类。。

由于scoped智能指针独享所有权，当我们真真需要复制智能指针时，需求便满足不了了，如此我们再

引入一 个智能 指针，专门用于处理复制，参数传递的情况，这便是如下的shared 智能指针。

引用计数版本==>

接下来我们看最后一种，也就是我们现在经常用到的shared智能指针，等到智能指针发展到这一步也就很

成熟了 它已经几乎完美的解决所有功能，几乎没什么问题，现在我们来看看它的实现。

template<class T>
class shared
{
public:
	shared(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
		, _num(new int(1))
	{
	}
	shared(const shared<T>& ap)
		:_ptr(ap._ptr)
		, _num(ap._num)
	{
		++(*_num);
	}
	shared<T>& operator=(const shared<T>& ap)
	{
		if (_ptr != ap._ptr)
		{
			Release();
			_ptr = ap._ptr;
			_num = ap._num;
			++(*_num);
		}
		return *this;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	void Release()
	{
		if (0 == (--*_num))
		{
			cout << "智能指针爸爸帮你释放空间了" << endl;
			delete _ptr;
			delete _num;
			_ptr = NULL;
			_num = NULL;
		}
	}
	~shared()
	{
		Release();
	}
protected:
	T* _ptr;
	int* _num;
};

int main()
{
	shared<int>ap1(new int);
	*ap1 = 2;
	shared<int>ap2(ap1);
	cout << *ap2 << endl;
	shared<int>ap3(new int);
	ap3 = ap1;

}

上面就是我实现的简易的shared智能指针，现在我们调用这个智能指针，我们来看看结果：

我们发现它完美的解决了一切功能，这个指针真的算是很完美的思想，不过你再完美也会有瑕疵，要不然也

不会 有 boost::weak_ptr的存在， boost::weak_ptr的存在 就是为 boost::shared_ptr解决一点点瑕疵的。这个

问题藏 得极深 一般不会遇到的，但是当你真的遇到的时候，我相信你会绞尽脑汁的找BUG，还是很难找的。

话不多说，现在我们来看下面这个例子：

struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;

	ListNode(int x)
		:_data(x)
		, _prev(NULL)
		,_next(NULL)
	{}
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode" << endl;
	}
};
int main()
{
	shared_ptr<ListNode> cur(new ListNode(1));
	shared_ptr<ListNode> next(new ListNode(2));
	cur->_next = next;
	next->_prev = cur;
	cout << "cur" << "     " << cur.use_count() << endl;
	cout << "next" << "     " << next.use_count() << endl;
	return 0;
}

现在我们验证shared智能指针的缺陷，就不用我实现的那个了，那个好多功能我都没实现，我们用专家 写

的 shared_ptr智能指针，构造两个双向链表里面的结点，这里这个双向链表可能有一点简陋，但是我们只

是需要 它的prev和next指针就够了。

现在我们运行代码看看会发生什么情况：

现在cur和next指针所管理的结点现在都有两个指针指针管理，然后在这里会发生这样一件事:

循环引用一般都会发生在这种"你中有我，我中有你"的情况里面，这里导致的问题就是内存泄漏，这段空间

一直都没有释放,现在很明显引用计数在这里就不是很合适了，但是shared_ptr除了这里不够完善，其他的

地方都是非常有用的东西，所以编写者在这里补充一个week_ptr，接下来我们看最后一个智能指针week_ptr。

week_ptr==>

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，它更像是shared_ptr的一个助手而不是智能指针，

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.

通俗一点讲就是，首先weak_ptr 是专门为shared_ptr 而准备的。现在我们并不能根据 内部的 引用计数。

weak_ptr  是  boost::shared_ptr  的观察者 对象，观察 者意味着 weak_p tr  只对 shared_ptr 进 行引用，

而不改变其引用计数，当被观察的 shar ed_ptr  失效后，相应的 weak_ptr  也相应失效，然后它就什么都

不管光是个删 ， 也就是这里的cur和next在析构的时候 ， 不用引用计数减一 ， 直接删除结点就好。

这样也就间接地解决了循环引用的问题，当然week_ptr指针的功能不是只有这一个。但是现在我们只要

知道它可以解决循环引用就好。

现在总结一下：

1、在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想。

2、在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr。

3、在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr。

4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下(循环引用)使用boost::weak_ptr。

5、最后一点,在你的代码中，尽量不要出现 delete 关键字，因为我们有智能指针。