理解智能指针的原理

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非常麻烦的，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漏等问题等，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，这使用智能指针实质是一个对象，行为表现的却像个指针。
智能指针的作用是防止忘记调用delete使用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内存崩溃，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里面有如下代码：

Animal a=new Animal();
Animal b=a;
你当然知道，这里其实只生成一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已，但c++中不是这样，
Animal a;
Animal b=a;
这里却是就是生成两个对象

智能指针的使用

指针指针在c++11版本之后提供，包含在< memory >中，shared_ptr，unique_ptr，weak_ptr

shared_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。每使用一次他，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时。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);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个内存
注意避免循环引用，shared_ptr最大的陷阱就是循环引用，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 <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;
 }
}

在这里插入图片描述

unique_ptr的使用

unique_ptr"唯一"拥有其所指对象，同一时刻智能有一个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）。相比于原始指针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，用户可指定其它操作）。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的对象，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的使用

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种只能指针，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，另一个成员函数的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里面很好写，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nonnull。

public class Parent
{
    
    
private Child myChild;
}
public class Child
{
    
    
private Parent myParent;
}

在c++里边就是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++面向对象变成的麻烦的问题，现在可以借助smart pointer 把语义对象（pointer）转变为值（value）语义，shared_ptr轻松解决声明周期的问题，不用担心空悬指针。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;
}

循环引用内存泄漏的问题：

#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
 }
 std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 1
 std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 1
 return 0;
}

正确的做法：

#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;
}

指针指针的设计和实现：

下面是一个简单智能指针的demo。智能指针将一个累计数器和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个指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置位1；当对象作为另一个对象的副本而创建时，拷贝构造函数指针并增加与之相应的引用计数；每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它功能，比较有效的是自动销毁。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
 }

c++11中智能指针的原理，使用，实现

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