【C++】智能指针的分析

来源

https://blog.csdn.net/qq_37375427/article/details/85228028
https://www.cnblogs.com/wxquare/p/4759020.html

引入智能指针

问题

内存泄漏，即申请堆内存后忘记释放。还有二次释放的问题。

要求

• 需要一个特殊的指针
• 指针生命周期结束时主动释放堆空间
• 一个堆空间只能由一个指针标识，这样可以防止多次释放指针，造成程序崩溃
• 杜绝指针运算和指针比较

解决方案

• 重载指针操作符（->和*），让类对象可以像指针一样使用它们
• 只能通过类的成员函数来重载指针操作符
• 重载函数不能使用参数
• 只能定义一个重载函数（这与不能使用参数是一个道理）

智能指针

以上的解决方案，实际上就是我们需要的智能指针啦！！！
那么什么是智能指针呢？我们还是先来从程序来慢慢分析，慢慢理解智能指针的概念。

#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{
private:
	int i;
public:
	Test(int i) { cout << "Test(int i)" << endl; this->i = i; }
	int value() { return i; }
	~Test() { cout << "~Test()" << endl; }
};
class Pointer//简单模拟智能指针类，用来管理指向类的指针
{
private:
	Test *mp;
public:
	Pointer(Test* p = nullptr) { this->mp = p; }
	Pointer(const Pointer& obj)
	{
		this->mp = obj.mp;
		//右值发生了赋值
		//只能有一个指针指向堆空间
		const_cast<Pointer&>(obj).mp = nullptr;
	}
	Pointer& operator =(const Pointer& obj)
	{
		if (this != &obj)//不用this->mp != obj.mp
		{
			delete this->mp;
			this->mp = obj.mp;
			const_cast<Pointer&>(obj).mp = nullptr;
		}
		return *this;
	}
	Test* operator ->() { return this -> mp; }
	Test& operator * () { return *(this->mp); }
	bool isNull() { return (mp == nullptr); }
	~Pointer() { delete this->mp; }
};
int main()
{
	Pointer p1 = new Test(0);
	cout << p1->value() << endl;
	Pointer p2 = p1;//发生赋值操作，右值计数-1
	cout << boolalpha << p1.isNull() << endl;
	cout << p2->value() << endl;
	return 0;
}

运行结果

Test(int i)
0
true //发生赋值操作，右值指针计数自动减1，变为空
0
~Test()//执行到return后执行析构函数

由以上程序的运行结果以及程序的本身可以看出，智能指针真的很强大，我们不再需要像C语言中那么复杂的去操作指针，只需要在这里操作对象，就可以达到指针操作的目的。同时，在程序结束时，指针也自动的被释放，这样就避免了内存泄漏的问题。同时，我们的程序也不允许出现指针的（对象的）比较与运算，这样，就不会因为指针的运算导致出现野指针的情况了~~~

总结

• 指针特征操作符（->和*）可以被重载
• 重载指针操作符可以是对象代替指针（智能指针的由来）
• 智能指针只能用于指向堆空间中的内存
• 智能指针的最大意义在于最大限度的避免了内存泄漏的问题

C++11中的智能指针原理、使用、实现

智能指针的作用

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露等问题等，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：

1. 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，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针（重载了指针操作符->和*）。
2. 智能指针的作用是防止忘记调用delete释放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程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
3. 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里面下列代码：

Animal a = new Animal();
Animal b = a;

你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，

Animal a;
Animal b = a;

这里却是就是生成了两个对象。
关于值语言参考这篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html

智能指针的使用

智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr（auto_ptr已被C++11废弃）

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。每使用他一次，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。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。

1. 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。不能将指针直接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);的写法是错误的
2. 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。
3. get函数获取原始指针
4. 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内存
5. 注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，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。

例程

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

int main()
{
	int a = 10;
	shared_ptr<int> ptrA = make_shared<int>(a);//初始化
	shared_ptr<int> ptrA2(ptrA);//copy,引用计数+1
	cout << ptrA.use_count() << endl;

	int b = 20;
	int *pB = &a;
	//shared_ptr<int> ptrB = pB;//error
	shared_ptr<int> ptrB = make_shared<int>(b);
	ptrA2 = ptrB;//assign,赋值，原对象引用计数-1(ptrA2-1,ptrB+1)
	pB = ptrB.get();//获取原始指针

	cout << ptrA.use_count() << endl;
	cout << ptrB.use_count() << endl;
	return 0;
}

运行结果：

2
1
2

unique_ptr的使用

unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个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）。相比与原始指针，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，用户可指定其他操作)。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。

例程

#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。

例程

#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
}

运行结果:

1
1
2

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 knows his/her Parent。在Java 里边很好写，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non null。

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

在C++ 里边就要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++面向对象编程麻烦的问题，现在可以借助smart pointer把对象语义（pointer）转变为值（value）语义，shared_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。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;
}

循环引用内存泄露的问题

#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);//初始化count=1
		std::shared_ptr<Child> c(new Child);//初始化count=1
		p->setChild(c);//智能指针指向的对象的构造
		c->setPartent(p);//智能指针指向的对象的构造
		wpp = p;//赋值操作，原wpp为0减一还是0；变为p+1
		wpc = c;//原wpc-1;c+1
		std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
		std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2
	}
	std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 应该为0，但是此时为1
	std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 应该为0，但是此时为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;//weak_ptr可以由shared_ptr或者另外一个weak_ptr来构造
	std::weak_ptr<Child> wpc;
	{
		std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);//count = 1
		std::shared_ptr<Child> c(new Child);//count = 1
		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
	}//跳出作用域，应该自动全部析构
	std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 0
	std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 0
	return 0;
}

智能指针的设计和实现

下面是一个简单智能指针的demo。智能指针类将一个计数器与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指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对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他功能，比较有用的是自动销毁。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>
using namespace std;
template<typename T>
class SmartPointer
{
private:
	T* _ptr;
	size_t* _count;
public:
	SmartPointer(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) {//初始化构造
		if (_ptr)
			_count = new size_t(1);
		else
			_count = new size_t(0);
	}
	SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {//拷贝构造
		if (this->_ptr != ptr._ptr) {
			this->_ptr = ptr._ptr;
			this->_count = ptr._count;
			(*this->_count)++;//等价于(*(this->_count))++
		}
	}
	SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
		if (this->_ptr == ptr._ptr) {
			return *this;
		}
		if (this->_ptr) {
			(*(this->_count))--;//原对象-1
			if (this->_count == 0) {//析构释放原对象
				delete this->_ptr;
				delete this->_count;
			}
		}
		this->_ptr = ptr._ptr;
		this->_count = ptr._count;
		(*(this->_count))++;
		return *this;
	}
	T& operator*() {//返回值
		assert(this->_ptr == nullptr);
		return *(this->_ptr);
	}
	T* operator -> () {//返回指针
		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));//sp = 1
	SmartPointer<int> sp2(sp);//sp = 2
	SmartPointer<int> sp3(new int(20));//1
	sp2 = sp3;//sp = sp-1 = 1;sp3 = 2
	cout << sp.use_count() << endl;//1
	cout << sp3.use_count() << endl;//2
	return 0;
}

参考：

值语义：http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
shared_ptr使用：http://www.cnblogs.com/jiayayao/archive/2016/12/03/6128877.html
unique_ptr使用：http://blog.csdn.net/pi9nc/article/details/12227887
weak_ptr的使用：http://blog.csdn.net/mmzsyx/article/details/8090849
weak_ptr解决循环引用的问题：http://blog.csdn.net/shanno/article/details/7363480
C++面试题（四）——智能指针的原理和实现：https://blog.csdn.net/worldwindjp/article/details/18843087#comments