C++智能指针

智能指针

1、智能指针本身：智能指针是一个类模板的实例，通常作为局部变量存在于栈区（Stack）。当函数返回或者局部变量超出其作用域时，栈区的内存会被自动释放。

2、智能指针管理的对象：智能指针通常用来管理在堆区（Heap）上分配的内存。这是通过调用如new操作符来完成的。堆区的内存会一直存在，直到显式地释放它（使用delete操作符）或者当程序结束时才会被系统回收。

1. C++对于普通的new或者malloc分配空间，需要及时的释放空间，否则容易造成内存泄漏，导致堆区空间不足。但是，随着代码量的增多，很容易忘记释放空间，于是智能指针应运而生。
2. 智能指针会自动释放。省去手动管理内存。在智能指针中，会存在一个计数器，计数器的大小等于指向对象的智能指针的数量，当计数为0时，则释放指针。
3. 智能指针在memory头文件中。

• std::unique_ptr：它实现了对对象的独占所有权语义。这意味着一个unique_ptr在任何时候都指向一个对象，而且这个对象只能由一个unique_ptr拥有。当unique_ptr被销毁（例如离开其作用域）时，它所指向的对象也会被自动删除。
• std::shared_ptr：它实现了对象的共享所有权语义。多个shared_ptr可以指向同一个对象，并且每个shared_ptr持有一个引用计数。当最后一个指向某个对象的shared_ptr被销毁或重置时，该对象才会被删除。
• std::weak_ptr：它是对shared_ptr所管理对象的一个非拥有性引用，它指向一个由shared_ptr管理的对象，但并不影响对象的生命周期。也就是说，它不会增加所指向对象的引用计数。当最后一个指向对象的shared_ptr被销毁时，无论是否还有weak_ptr指向该对象，对象都会被删除。weak_ptr主要用于解决shared_ptr可能导致的循环引用问题。在这部分利用率局部变量的特性，C++的局部变量存在栈中，当变量的生命周期结束后，那栈会自动释放空间。而智能指针同样为局部变量，存在栈中。

//很简单的一个类，帮助解释智能指针
class Ball {
public:
	Ball() {
        cout << "creat Ball" << endl;
    }
    ~Ball() {
        cout << "delete Ball" << endl;
    }
    void bounce() {
        cout << "A Ball jumps" <<endl;
    }
};

1、智能指针类型

智能指针	类型
shared_ptr	共享指针，多个共享指针可以指向同一个对象
weak_ptr	该指针是对象的一个非拥有性引用，指向一个shared_ptr，主要用来避免shared_ptr环形依赖
unique_ptr	该指针独占对象的所有权，每个对象只能有一个该指针

2、shared_ptr

智能指针内部有一个计数器，当赋值给别的智能指针或者函数传参拷贝到另一个shared_ptr，计数器就会加1，当函数执行完毕，智能指针对象就被析构了，此时计数器就会减1，直到计数器变为0，说明没人在用这个对象了，就执行delete把它释放掉。

1、创建方式

//创建方式1
shared_ptr<int> p;
p = make_shared<int>(100);//此为推荐方式
//创建方式2
shared_ptr<int> p2{new int(100)};
//使用方式，和普通指针一样
shared_ptr<int> p3 = p;
cout << *p << endl;
*p3 = 321;
cout << *p3 << endl;

2、成员函数

1、use_count()，得到当前有多少个指针指向该对象

class Ball {};
shared_ptr<Ball> ball = make_shared<Ball>();
cout << ball.use_count << endl;//ball.use_count()展示当前有多少个指针指向这个物体，值为1
shared_ptr<Ball> ball2 = make_shared<Ball>();
cout << ball.use_count() << " " << ball2.use_count() << endl;//值为1 2
shared_ptr<Ball> ball3 = make_shared<Ball>();
cout << ball.use_count() << " " << ball2.use_count() << cout << " " << ball3.count() << endl;//值为1 2 3
ball.reset();//重置智能指针
ball2.reset();
ball3.reset();//重置智能指针，三个指针都释放后，ball会自动销毁，避免内存泄漏，也可以reset(new Ball)指向一个新的对象

2、get()，获得裸指针

Ball* rp = p.get();

rp指向当前资源，但若裸指针与共享指针都指向这块资源，若全部共享指针释放后，这块资源也会被释放，裸指针变成未定义的，所以尽可能避免裸指针和共享指针同时使用。

3、weak_ptr()

3.1环形依赖

循环引用是指两个或多个对象通过智能指针相互引用，导致它们的计数永远不为零，从而引发内存泄漏。

循环引用会在以下情况下产生：当两个或多个对象相互持有对方的智能指针（通常是shared_ptr）时，它们之间的引用计数将永远无法降到零，因为每个对象都在等待其他对象被销毁以释放自己。这种情况下，即使这些对象不再被程序的其他部分使用，它们所占用的内存也无法被释放，从而导致内存泄漏。通过使用weak_ptr代替其中一个或多个shared_ptr，可以打破这种循环引用，确保对象在不再需要时能够被正确销毁。

以下代码执行完后不会输出析构函数cout内容，说明这两个对象没有被删除，这是因为智能指针的计数没有变成0，但只要将Teacher类中的成员变量改为weak_ptr<School> school;即可避免环形依赖。

struct School;

struct Teacher {
    string name;
    int age;
    shared_ptr<School> school;//改为weak_ptr<School> school;即可避免环形依赖
    ~Teacher() {
        cout << "Teacher Destructed." << endl;
    }
};

struct School {
    string name;
    shared_ptr<Teacher> principle;
    
    ~School() {
        cout << "School Destructed." << endl;
    }
};

void test_range_conflict() {
    auto principle = make_shared<Teacher>();
    auto university = make_shared<School>();
    principle->school = university;
    university->principle = principle;
}

3.2weak_ptr

weak_ptr本身依赖shared_ptr存在，存储一个资源的引用但不能修改，只能告知资源是否存在。

cpp.lock()，返回shared_ptr地址指针，若对象已被释放，则返回nullptr。

void test_weak_ptr() {
    weak_ptr<int> wp;
    shared_ptr<int> sp = make_shared<int>(100);
    wp = sp;
    auto resource = wp.lock();//wp.lock()返回指针，若被释放则返回nullptr
    if(resource){
        cout << "Number is" << *resource << endl;
    } else {
        cout << "wp is expired" endl;
    }
}

4、unique_ptr

1. unique_ptr是独享的，不可以两个unique_ptr同时指向同一份资源
2. 由于独占资源控制权，所以不支持普通拷贝，但可以转移控制权

4.1get()，release()和move()

创建unique_ptr指针

unique_ptr<Ball> ball = make_unique<Ball>();

Ball *p = ball.get();//获得裸指针

ball.reset(new Ball());//重新指向另一个Ball对象

Ball *ball2 = ball.release();//unique_ptr与资源解绑，release返回资源的裸指针，同时将unique_ptr设置为nullptr，但解绑后需要用delete释放
delete ball2;
ball = nullptr;//赋值为裸指针，也会释放所对应的资源

4.2转移控制权

unique_ptr<int> up1 = make_unique<int>(100);
unique_ptr<int> up2(up1.release());//方式1，转移控制权
unique_ptr<int> up3 = std::move(up1);//方式2，转移控制权

4.3在函数间传递unique_ptr

4.3.1只需要value

1.方式1

//1：只访问内容，引用，只访问资源
void pass_up1(int &value) {
    cout << value << endl;
}

void test_pass_up1() {
    auto up = make_unique<int>(123);
    pass_up1(*up);
}

2.方式2

//2：传递裸指针，避免unique_ptr的传递，同样只能访问unique_ptr指向的资源
void pass_up2(int *p) {
    cout << *p << endl;
}

void test_pass_up2() {
    auto up = make_unique<int>(123);
    pass_up2(up.get());
}

4.3.2传递unique_ptr

实质在做转移控制权

1.方式1

//3：改变unique_ptr本身，使用引用方式
void pass_up3(unique_ptr<int> &up) {
    cout << *up << endl;
    up.reset();
}

void test_pass_up3() {
    auto up = make_unique<int>(123);
    pass_up3(up);
    if (up == nullptr) cout << "up is upset" << endl;
}

2.方式2

//4：改变unique_ptr本身，使用move转移控制权
void pass_up4(unique_ptr<int> up) {
    cout << *up << endl;
    up.reset();
}

void test_pass_up4() {
    auto up = make_unique<int>(123);
    pass_up4(std::move(up));
    if (up == nullptr) cout << "up is upset" << endl;
}

4.4作为函数返回值

作为函数返回值，可以直接写return up;或者return(move(up));，前者不用写up是因为编译器智能识别返回类型，使用move constructor

//5：unique_ptr可以被作为函数返回值
unique_ptr<int> return_uptr(int value) {
    unique_ptr<int> up = make_unique<int>(value);
    rturn up;
}

void test_return_uptr() {
    unique_ptr<int> up = return_uptr(321);
    cout << *up <<endl;
}