为什么需要智能指针？

为什么需要智能指针？

1. 解决忘记释放内存导致内存泄漏的问题。
2. 解决异常安全问题。

#include<iostream>
using namespace std;

int div()
{
    
    
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
    
    
	// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
	// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
	// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
	int* p1 = new int;
	int* p2 = new int;
	cout << div() << endl;
	delete p1;
	delete p2;
}
int main()
{
    
    
	try
	{
    
    
		Func();
	}
	catch (exception& e)
	{
    
    
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

问：如果p1这里new 抛异常会如何？

答：p1、p2不会开空间，内存没有释放

问：如果p2这里new 抛异常会如何？

答：p2不会开空间，内存没有得到释放

问：如果div调用这里又会抛异常会如何？

答：内存没有被释放。

那么如何解决呢？

可以利用智能指针来解决这个问题。

智能指针的使用及其原理

RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内 存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在 对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做 法有两大好处：

• 不需要显示地释放资源。
• 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

我们用一个类来封装一下这个指针，实现如下：

#include<iostream>
using namespace std;

namespace hayaizo
{
    
    
	template<class T>
	class smart_ptr
	{
    
    
	public:
		smart_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		~smart_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

int div()
{
    
    
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}
void Func()
{
    
    
	hayaizo::smart_ptr<int> sp1(new int);
	hayaizo::smart_ptr<int> sp2(new int);
	cout << div() << endl;
}

int main(void)
{
    
    
	try {
    
    
		Func();
	}
	catch (const exception& e)
	{
    
    
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

运行结果：

既然是指针，那么也需要支持解引用*和->，重载这两个符号就好了。

namespace hayaizo
{
    
    
	template<class T>
	class smart_ptr
	{
    
    
	public:
		smart_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		~smart_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}

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

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

但这样地封装会有一个致命的缺点，一个地址只能被一个智能指针指向，不然会导致同一块内存释放两次的问题，我们看看官方库中的auto_ptr是怎么解决的。

可以看到，sp1的地址变成了sp2的地址了，然后sp1的地址变成了nullptr。

手搓一个低配版的auto_ptr：

namespace hayaizo
{
    
    
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
    
    
	public:
		auto_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		auto_ptr(auto_ptr<T>&ap)
			:_ptr(ap._ptr)
		{
    
    
			ap._ptr = nullptr;
		}

		auto_ptr<T> operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
    
    
			if (this != &ap)
			{
    
    
				if (_ptr)
				{
    
    
					delete _ptr;
				}

				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}

		~auto_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}

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

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

但这样确实可以解决问题，但是已经失去了原生指针的功能了，原生指针是支持同一个地址被很多个指针指向的，在介绍解决方法之前得先介绍unique_ptr。

unique_ptr

unique_ptr非常粗暴，直接不让你拷贝，把拷贝构造禁掉了。

	template<class T>
	class unique_ptr
	{
    
    
	public:
		unique_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		unique_ptr(unique_ptr<T>& ap)=delete
		{
    
    }

		unique_ptr<T> operator=(unique_ptr<T>& ap)=delete
		{
    
    }

		~unique_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}

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

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

shared_ptr

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共 享。
2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减 一。
3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源。
4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对 象就成野指针了。

比如我用三个智能指针指向地址0x00112233，因此，计数为3，当计数等于0的时候再进行销毁。

那么，这里的计数可以单纯用一个int _cnt或者static int _cnt来表示吗？

答案是否定的。

如果是int _cnt，那么每个对象都是单独的计数。

如果是``static int _cnt`，那么每个对象都是用的同一份计数。

所以这里需要用一个指针来表示计数。

template<class T>
	class shared_ptr
	{
    
    
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_cnt(new int(1))
		{
    
    }

		shared_ptr(shared_ptr<T>& ap)
			:_ptr(ap._ptr)
			,_cnt(ap._cnt)
		{
    
    }

		void Release()
		{
    
    
			if (--(*_cnt) == 0)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}

		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
    
    
			//p1=p1的情况
			if (_ptr == sp._ptr)
			{
    
    
				return *this;
			}

			Release();
			
			_ptr = sp._ptr;
			_cnt = sp._cnt;
			(*_cnt)++;
			return *this;
		}

		int use_count()
		{
    
    
			return *_cnt;
		}

		T* get() const
		{
    
    
			return _ptr;
		}

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

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

		~shared_ptr()
		{
    
    
			Release();
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _cnt;
	};

}

循环引用

这里的n1和n2的引用计数都是2，所以形成了相互制约的局面。

n1的销毁看n2，n2的销毁看n1。

weak_ptr

weak_ptr是为配合shared_ptr而引入的一种智能指针。

weak_ptr可以从一个shared_ptr或另一个weak_ptr对象构造，它的构造和析构不会引起shared_ptr引用记数的增加或减少

	template<class T>
	class weak_ptr
	{
    
    
	public:
		weak_ptr()
			:_ptr(nullptr)
		{
    
    }

		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{
    
    }

		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
    
    
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}

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

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

	private:
		T* _ptr;
	};

struct Node
{
    
    
	int _val;

	hayaizo::weak_ptr<Node> _next;
	hayaizo::weak_ptr<Node> _prev;

	~Node()
	{
    
    
		cout << "~Node" << endl;
	}
};


int main(void)
{
    
    
	hayaizo::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	hayaizo::shared_ptr<Node> n2(new Node);
	
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;


	return 0;
}

很简单，就是n1内部的指针不参与引用计数，用另外的类封装起来就好了，就不会动shared_ptr<T>里面的引用计数了。

定制删除器

其实就是个仿函数，可以自己传删除方案。

//默认删除器
	template<class T>
	struct Delete
	{
    
    
		void operator()(T* ptr)
		{
    
    
			cout << "delete: " << ptr << endl;
			delete ptr;
		}
	};

	template<class T,class D=Delete<T>>
	class shared_ptr
	{
    
    
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_cnt(new int(1))
		{
    
    }

		shared_ptr(shared_ptr<T>& ap)
			:_ptr(ap._ptr)
			,_cnt(ap._cnt)
		{
    
    }

		void Release()
		{
    
    
			if (--(*_cnt) == 0)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				D del;
				del(_ptr);
				//D()(_ptr);匿名对象调用()
			}
		}

		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
    
    
			//p1=p1的情况
			if (_ptr == sp._ptr)
			{
    
    
				return *this;
			}

			Release();
			
			_ptr = sp._ptr;
			_cnt = sp._cnt;
			(*_cnt)++;
			return *this;
		}

		int use_count()
		{
    
    
			return *_cnt;
		}

		T* get() const
		{
    
    
			return _ptr;
		}

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

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

		~shared_ptr()
		{
    
    
			Release();
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _cnt;
	};

template<class T>
struct DeleteArray
{
    
    
	void operator()(T* ptr)
	{
    
    
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

template<class T>
struct Free
{
    
    
	void operator()(T* ptr)
	{
    
    
		cout << "free" << ptr << endl;
		free(ptr);
	}
}; 

总代码：

//#include<iostream>
//using namespace std;
//
//int div()
//{
    
    
//	int a, b;
//	cin >> a >> b;
//	if (b == 0)
//		throw invalid_argument("除0错误");
//	return a / b;
//}
//void Func()
//{
    
    
//	// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
//	// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
//	// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
//	int* p1 = new int;
//	int* p2 = new int;
//	cout << div() << endl;
//	delete p1;
//	delete p2;
//}
//int main()
//{
    
    
//	try
//	{
    
    
//		Func();
//	}
//	catch (exception& e)
//	{
    
    
//		cout << e.what() << endl;
//	}
//	return 0;
//}

#include<iostream>
using namespace std;

namespace hayaizo
{
    
    
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
    
    
	public:
		auto_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		auto_ptr(auto_ptr<T>&ap)
			:_ptr(ap._ptr)
		{
    
    
			ap._ptr = nullptr;
		}

		auto_ptr<T> operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
    
    
			if (this != &ap)
			{
    
    
				if (_ptr)
				{
    
    
					delete _ptr;
				}

				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}

		~auto_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}

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

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

	template<class T>
	class unique_ptr
	{
    
    
	public:
		unique_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{
    
    }

		unique_ptr(unique_ptr<T>& ap)=delete
		{
    
    }

		unique_ptr<T> operator=(unique_ptr<T>& ap)=delete
		{
    
    }

		~unique_ptr()
		{
    
    
			if (_ptr)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}

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

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

	//默认删除器
	template<class T>
	struct Delete
	{
    
    
		void operator()(T* ptr)
		{
    
    
			cout << "delete: " << ptr << endl;
			delete ptr;
		}
	};

	template<class T,class D=Delete<T>>
	class shared_ptr
	{
    
    
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_cnt(new int(1))
		{
    
    }

		shared_ptr(shared_ptr<T>& ap)
			:_ptr(ap._ptr)
			,_cnt(ap._cnt)
		{
    
    }

		void Release()
		{
    
    
			if (--(*_cnt) == 0)
			{
    
    
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				D del;
				del(_ptr);
				//D()(_ptr);匿名对象调用()
			}
		}

		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
    
    
			//p1=p1的情况
			if (_ptr == sp._ptr)
			{
    
    
				return *this;
			}

			Release();
			
			_ptr = sp._ptr;
			_cnt = sp._cnt;
			(*_cnt)++;
			return *this;
		}

		int use_count()
		{
    
    
			return *_cnt;
		}

		T* get() const
		{
    
    
			return _ptr;
		}

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

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

		~shared_ptr()
		{
    
    
			Release();
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _cnt;
	};

	template<class T>
	class weak_ptr
	{
    
    
	public:
		weak_ptr()
			:_ptr(nullptr)
		{
    
    }

		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{
    
    }

		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
    
    
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}

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

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

	private:
		T* _ptr;
	};

}

struct Node
{
    
    
	int _val;

	hayaizo::weak_ptr<Node> _next;
	hayaizo::weak_ptr<Node> _prev;

	~Node()
	{
    
    
		cout << "~Node" << endl;
	}
};

template<class T>
struct DeleteArray
{
    
    
	void operator()(T* ptr)
	{
    
    
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

template<class T>
struct Free
{
    
    
	void operator()(T* ptr)
	{
    
    
		cout << "free" << ptr << endl;
		free(ptr);
	}
}; 


int main(void)
{
    
    
	/*hayaizo::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	hayaizo::shared_ptr<Node> n2(new Node);
	
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;*/
	hayaizo::shared_ptr<Node, DeleteArray<Node>> n1(new Node[5]);
	hayaizo::shared_ptr<Node> n2(new Node);
	hayaizo::shared_ptr<int, DeleteArray<int>> n3(new int[5]);
	hayaizo::shared_ptr<int, Free<int>> n4((int*)malloc(sizeof(int)));


	return 0;
}