C++基础之智能指针
转载，原文出处：C++智能指针 原理、使用与实现。讲得清晰简洁，适合快速了解智能指针的基本原理。
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（Resource Acquisition Is Initialization，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。
关于值语言参考这篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
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 <memory> 中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。
shared_ptr
shared_ptr适用于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<int> 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 <iostream> #include <memory> int main() { { int a = 10; std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a); std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //copy std::cout << ptra.use_count() << std::endl; int b = 20; int *pb = &a; //std::shared_ptr<int> ptrb = pb; //error std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(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; } }
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（通过禁止拷贝语义，只有移动语义来实现）。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 <iostream> #include <memory> int main() { { std::unique_ptr<int> uptr(new int(10)); //绑定动态对象 //std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr; //不能賦值 //std::unique_ptr<int> uptr2(uptr); //不能拷貝 std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權 uptr2.release(); //释放所有权 } //超過uptr的作用域，內存釋放 }
weak_ptr
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。
#include <iostream> #include <memory> int main() { { std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10); std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl; std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr); std::cout << wp.use_count() << std::endl; if(!wp.expired()){ std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr *sh_ptr = 100; std::cout << wp.use_count() << std::endl; } } //delete memory }
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 <iostream> #include <memory> 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; //only delete one } return 0; }
循环引用内存泄露的问题
#include <iostream> #include <memory> class Child; class Parent; class Parent { private: std::shared_ptr<Child> ChildPtr; public: void setChild(std::shared_ptr<Child> child) { this->ChildPtr = child; } void doSomething() { if (this->ChildPtr.use_count()) { } } ~Parent() { } }; class Child { private: std::shared_ptr<Parent> ParentPtr; public: void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) { this->ParentPtr = parent; } void doSomething() { if (this->ParentPtr.use_count()) { } } ~Child() { } }; int main() { std::weak_ptr<Parent> wpp; std::weak_ptr<Child> wpc; { std::shared_ptr<Parent> p(new Parent); std::shared_ptr<Child> 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 } //资源并未真正释放 std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 1 std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 1 return 0; }
正确的做法（weak_ptr配合shared_ptr）
#include <iostream> #include <memory> class Child; class Parent; class Parent { private: //std::shared_ptr<Child> ChildPtr; std::weak_ptr<Child> ChildPtr; public: void setChild(std::shared_ptr<Child> child) { this->ChildPtr = child; } void doSomething() { //new shared_ptr if (this->ChildPtr.lock()) { } } ~Parent() { } }; class Child { private: std::shared_ptr<Parent> ParentPtr; public: void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) { this->ParentPtr = parent; } void doSomething() { if (this->ParentPtr.use_count()) { } } ~Child() { } }; int main() { std::weak_ptr<Parent> wpp; std::weak_ptr<Child> wpc; { std::shared_ptr<Parent> p(new Parent); std::shared_ptr<Child> 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; }
智能指针的设计和实现
下面是一个简单智能指针的demo。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。
#include <iostream> #include <memory> template<typename T> class SmartPointer { private: T* _ptr; size_t* _count; public: SmartPointer(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr) { if (_ptr) { _count = new size_t(1); } else { _count = new size_t(0); } } SmartPointer(const SmartPointer& ptr) { if (this != &ptr) { this->_ptr = ptr._ptr; this->_count = ptr._count; (*this->_count)++; } } SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) { if (this->_ptr == ptr._ptr) { return *this; } if (this->_ptr) { (*this->_count)--; if (this->_count == 0) { delete this->_ptr; delete this->_count; } } this->_ptr = ptr._ptr; this->_count = ptr._count; (*this->_count)++; return *this; } T& operator*() { assert(this->_ptr == nullptr); return *(this->_ptr); } T* operator->() { assert(this->_ptr == nullptr); return this->_ptr; } ~SmartPointer() { (*this->_count)--; if (*this->_count == 0) { delete this->_ptr; delete this->_count; } } size_t use_count(){ return *this->_count; } }; int main() { { SmartPointer<int> sp(new int(10)); SmartPointer<int> sp2(sp); SmartPointer<int> sp3(new int(20)); sp2 = sp3; std::cout << sp.use_count() << std::endl; std::cout << sp3.use_count() << std::endl; } //delete operator }
