C++11学习之share_ptr和weak_ptr

一、shared_ptr学习

1.shared_ptr和weak_ptr 基础概念

shared_ptr与weak_ptr智能指针均是C++ RAII的一种应用，可用于动态资源管理
shared_ptr基于“引用计数”模型实现，多个shared_ptr可指向同一个动态对象，并维护了一个共享的引用计数器，记录了引用同一对象的shared_ptr实例的数量。当最后一个指向动态对象的shared_ptr销毁时，会自动销毁其所指对象(通过delete操作符)。
shared_ptr的默认能力是管理动态内存，但支持自定义的Deleter以实现个性化的资源释放动作。
weak_ptr用于解决“引用计数”模型循环依赖问题，weak_ptr指向一个对象，并不增减该对象的引用计数器

2.shared_ptr的基本操作

#include <memory>
#include <iostream>

struct Foo {
    Foo() { std::cout << "Foo...\n"; }
    ~Foo() { std::cout << "~Foo...\n"; }
};

struct D { 
    //删除p所指向的Foo对象
    void operator()(Foo* p) const {
        std::cout << "Call delete for Foo object...\n";
        delete p;
    }
};

int main()
{   
    // constructor with no managed object
    std::shared_ptr<Foo> sh1;

    // constructor with object
    std::shared_ptr<Foo> sh2(new Foo);
    std::shared_ptr<Foo> sh3(sh2);
    std::cout << sh2.use_count() << '\n';
    std::cout << sh3.use_count() << '\n';

    //constructor with object and deleter
    std::shared_ptr<Foo> sh4(new Foo, D());
}

构造方法:
1.通过make_shared函数构造
auto s_s = make_shared(“hello”);

2.通过原生指针构造
int* pNode = new int(5);
shared_ptr s_int(pNode);
//获取原生指针
int* pOrg = s_int.get();

3.通过赋值函数构造shared_ptr

4.重载的operator->, operator *，以及其他辅助操作如unique()、use_count(), get()等成员方法。

3 实验智能指针引用计数,增加和减少的规律

实验的主要内容有:
1.shared_ptr变量在生命周期中销毁后,引用计数是否减1?
2.shared_ptr作为函数参数,分为传值和传引用,引用计数如何变化?
2.函数返回值为shared_ptr类型时,引用计数是否会变化?

带着这几个问题,我们来看下代码.

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

void Func1(shared_ptr<int> a)
{
    cout<<"Enter Func1"<<endl;
    cout<<"Ref count: "<<a.use_count()<<endl;
    cout<<"Leave Func1"<<endl;
}

shared_ptr<int> Func2(shared_ptr<int>& a)
{
    cout<<"Enter Func2"<<endl;
    cout<<"Ref count: "<<a.use_count()<<endl;
    cout<<"Leave Func2"<<endl;
    return a;
}

int main()
{
    //构造一个指向int类型对象的指针aObj1,引用计数+1
    shared_ptr<int> aObj1(new int(10));
    cout<<"Ref count: "<<aObj1.use_count()<<endl;

    {
        //同aObj1,不过由于生存周期在括号内,所以aObj2会被销毁
        shared_ptr<int> aObj2 = aObj1;
        cout<<"Ref count: "<<aObj2.use_count()<<endl;//引用计数-1
    }

    //在调用函数时,参数为shared_ptr类型,参数为传值类型,智能指针引用计数+1
    Func1(aObj1);

    //在调用函数时,参数为shared_ptr类型,参数为传引用类型,智能指针引用计数不变
    Func2(aObj1);

    shared_ptr<int> aObj3 = Func2(aObj1);//引用计数+1
    cout<<"Ref count:"<<aObj3.use_count()<<endl;

    return 0;
}

运行结果如下:
这里写图片描述

有效的掌握好智能指针的引用计数的变化规律,才能把程序写的更好.

4. shared_ptr的应用场景以及使用注意事项

4.1 对象之间“共享数据”，对象创建与销毁“分离”
4.2 放入容器中的动态对象，使用shared_ptr包装，比unique_ptr更合适
4.3 管理“动态数组”时，需要制定Deleter以使用delete[]操作符销毁内存，因为shared_ptr并没有针对数组的特化版本（unique_ptr有针对数组的特化版本）

5.shared_ptr的线程安全问题

同一个shared_ptr被多个线程读，是线程安全的；
同一个shared_ptr被多个线程写，不是线程安全的；
共享引用计数的不同的shared_ptr被多个线程写，是线程安全的。
对于第三点,我们一般采用:
对于线程中传入的外部shared_ptr对象，在线程内部进行一次新的构造，例如： sharedptr AObjTmp = outerSharedptrObj;

二、weak_ptr学习

我们先搞清楚,weak_ptr为什么出现,或者说它是为了解决什么问题而存在的(存在即合理),哈哈

class Parent
{
public:
    shared_ptr<Child> child;
};

class Child
{
public:
    shared_ptr<Parent> parent;
};

shared_ptr<Parent> pA(new Parent);
shared_ptr<Child> pB(new Child);
pA->child = pB;
pB->parent = pA;

在Parent类中存储了指向Child类对象的智能指针成员变量,而在Child类中也存储了指向Parent类对象的智能指针成员变量,如此就会造成环形引用,这个成因在C++中很好解释.

要解决环形引用的问题，没有特别好的办法，一般都是在可能出现环形引用的地方使用weak_ptr来代替shared_ptr。说到了weak_ptr，那下面就接着总结weak_ptr吧。

下面我们来一起学习下weak_ptr这个东东

weak_ptr指向shared_ptr指针指向的对象的内存，却并不拥有该内存。
但是，使用weak_ptr成员lock，则可返回其指向内存的一个shared_ptr对象，且在所指对象内存已经无效时，返回指针空值（nullptr）。由于weak_ptr是指向shared_ptr所指向的内存的，所以，weak_ptr并不能独立存在。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

void Check(weak_ptr<int> &wp)
{
    shared_ptr<int> sp = wp.lock(); // 重新获得shared_ptr对象
    if (sp != nullptr)
    {
        cout << "The value is " << *sp << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Pointer is invalid." << endl;
    }
}

int main()
{
    shared_ptr<int> sp1(new int(10));
    shared_ptr<int> sp2 = sp1;
    weak_ptr<int> wp = sp1; // 指向sp1所指向的内存

    cout << *sp1 << endl;
    cout << *sp2 << endl;
    Check(wp);

    sp1.reset();
    cout << *sp2 << endl;
    Check(wp);

    sp2.reset();
    Check(wp);

    system("pause");
    return 0;
}

学习编程最好的方式就是一步步的跟踪去调试.
借鉴上面的代码,我们在使用weak_ptr时也要当心,时刻需要判断weak_ptr对应的shared_ptr是否为空,weak_ptr并不会增加shared_ptr的引用计数.