写在前面
1.为什么需要智能指针
2.智能指针的使用及原理
3.各种版本的智能指针了解及实现
auto_ptr: c++ 98 (管理权转移)
unique_ptr: c++11 (防拷贝)
scoped_ptr: boost库 (防拷贝)
shared_ptr: c++11 （共享、引用计数） (重点)
weak_ptr: c++11 （解决循环引用的问题、辅助shared_ptr）
4.C++11和boost中智能指针的关系
1.为什么需要智能指针？
分析下面一段程序：
#include <vector>
//归并排序
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{
if (left >= right)
return;
int mid = left + ((right - left) >> 1);
_MergeSort(a, left, mid, tmp);
_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);
int begin1 = left, end1 = mid;
int begin2 = mid + 1, end2 = right;
int index = left;
while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)
{
if (a[begin1] < a[begin2])
tmp[index++] = a[begin1++];
else
tmp[index++] = a[begin2++];
}
while (begin1 <= end1)
tmp[index++] = a[begin1++];
while (begin2 <= end2)
tmp[index++] = a[begin2++];
memcpy(a + left, tmp + left, sizeof(int)*(right - left + 1));
}
void MergeSort(int* a, int n)
{
int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
...
vector<int> v(1000000000, 10);
...
}
int main()
{
int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
MergeSort(a, 5);
return 0;
}
问题分析：上面的问题分析出来我们发现有以下两个问题？
- malloc出来的空间，没有进行释放，存在内存泄漏的问题。
- 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常，那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安全。
2.智能指针的使用及原理
2.1 RAII
RAII（Resource Acquisition Is Initialization资源获取即初始化）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：
·不需要显式地释放资源；
·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。
/使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
2.2 智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。
template<class T>
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*() {return *_ptr;}
T* operator->() {return _ptr;}
private:
T* _ptr;
};
总结一下智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为.
3.各种版本的智能指针了解及实现
1.auto_ptr
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想。
下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理：
模拟实现一份简答的AutoPtr,了解原理
template<class T>
class AutoPtr
{
public:
AutoPtr(T* ptr = NULL)
: _ptr(ptr)
{}
~AutoPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
: _ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = NULL;
}
AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
{
// 检测是否为自己给自己赋值
if(this != &ap)
{
// 释放当前对象中资源
if(_ptr)
delete _ptr;
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
T& operator*() {return *_ptr;}
T* operator->() { return _ptr;}
private:
T* _ptr;
};
int main()
{
AutoPtr<Date> ap(new Date);
AutoPtr<Date> copy(ap);
ap->_year = 2018;
return 0;
}
一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另ap与其所管理资源断开联系，这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题
现在再从实现原理层来分析会发现，这里拷贝后把ap对象的指针赋空了，导致ap对象悬空,通过ap对象访问资源时就会出现问题。
2.unique_ptr
unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝。
下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理。
template<class T>
class UniquePtr
{
public:
UniquePtr(T * ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~UniquePtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*() {return *_ptr;}
T* operator->() {return _ptr;}
private:
C++98防拷贝的方式：只声明不实现+声明成私有
UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
C++11防拷贝的方式：delete
UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;
private:
T * _ptr;
};
3.scoped ptr
特点：不能共享控制权。scoped_ptr不能通过其他scoped_ptr共享控制权，因为在scoped_ptr类的内部将拷贝构造函数和=运算符重载定义为私有的。我们看下scoped_ptr类的定义就清楚了
1 namespace boost
2 {
3 template<typename T> class scoped_ptr : noncopyable
4 {
5 private:
6
7 T *px;
8
9 scoped_ptr(scoped_ptr const &);
10 scoped_ptr &operator=(scoped_ptr const &);
11
12 typedef scoped_ptr<T> this_type;
13
14 void operator==( scoped_ptr const & ) const;
15 void operator!=( scoped_ptr const & ) const;
16 public:
17 explicit scoped_ptr(T *p = 0);
18 ~scoped_ptr();
19
20 explicit scoped_ptr( std::auto_ptr<T> p ): px( p.release() );
21 void reset(T *p = 0);
22
23 T &operator*() const;
24 T *operator->() const;
25 T *get() const;
26
27 void swap(scoped_ptr &b);
28 };
29
30 template<typename T>
31 void swap(scoped_ptr<T> &a, scoped_ptr<T> &b);
32 }
4.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。例如：老师放学之前之前都会通知，让最后走的学生记得把门锁好。
- 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。
- 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。
- 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；
- 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。
#include <thread>
#include <mutex>
template <class T>
class SharedPtr
{
public:
SharedPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
, _pRefCount(new int(1))
, _pMutex(new mutex)
{
// 如果是一个空指针对象，则引用计数给0
if (_ptr == nullptr)
*_pRefCount = 0;
}
~SharedPtr()
{
Release();
}
//拷贝构造函数
SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
: _ptr(sp._ptr)
, _pRefCount(sp._pRefCount)
, _pMutex(sp._pMutex)
{
// 如果是一个空指针对象，则不加引用计数，否则才加引用计数
if (_ptr)
AddRefCount();
}
// sp1 = sp2
SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
{
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
++(*sp._pRefCount);
// 释放管理的旧资源
Release();
// 共享管理新对象的资源，并增加引用计数
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pMutex = sp._pMutex;
if (_ptr)
AddRefCount();
}
return *this;
}
T& operator*() {return *_ptr;}
T* operator->() {return _ptr;}
int UseCount() {return *_pRefCount;}
T* Get() { return _ptr; }
int AddRefCount()
{
// 加锁或者使用加1的原子操作
_pMutex->lock();
++(*_pRefCount);
_pMutex->unlock();
return *_pRefCount;
}
int SubRefCount()
{
// 加锁或者使用减1的原子操作
_pMutex->lock();
--(*_pRefCount);
_pMutex->unlock();
return *_pRefCount;
}
private:
void Release()
{
// 引用计数减一，如果减到零，则释放资源
if (_ptr && SubRefCount() == 0)
{
delete _ptr;
delete _pRefCount;
}
}
private:
int* _pRefCount; // 引用计数
T* _ptr; // 指向管理资源的指针
mutex* _pMutex; // 互斥锁
};
std::shared_ptr的线程安全问题
需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：
- 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
- 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。
std::shared_ptr的循环引用问题
struct ListNode
{
int _data;
shared_ptr<ListNode> _prev;
shared_ptr<ListNode> _next;
~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
循环引用分析：
- node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
- 也就是说_next析构了，node2就释放了。
- 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
- 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
解决方案：
解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
原理就是，node1->_next = node2;和node2->_prev = node1时, weak_ptr的_next和_prev不会增加
node1和node2的引用计数。
struct ListNode
{
int _data;
weak_ptr<ListNode> _prev;
weak_ptr<ListNode> _next;
~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
ps:如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题.具体参见文章“仿函数与定置删除器”。
5.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。
简单实现一下吧：
template<class T>
class WeakPtr
{
public:
WeakPtr()
:_ptr(NULL)
{}
WeakPtr(const SharedPtr<T>& sp)
:_ptr(sp._ptr)
{}
WeakPtr(WeakPtr<T>& wp)
:_ptr(wp._ptr)
{}
WeakPtr<T>& operator=(SharedPtr<T>& sp)
{
_ptr = sp._ptr;
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
4.C++11和boost中智能指针的关系
- C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
- C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
- C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版.
- C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的.