智能指针与动态内存

1.C++Primer

P400
在C++中，动态内存通过一对运算符完成：

• new: 在动态内存中为对象分配空间，返回一个指向该对象的指针；
• delete: 接受一个动态对象的指针，销毁该对象，并释放与之关联的内存

shared_ptr： 允许对个指针指向同一个对象
unique_ptr： 独占所指向的对象
weak_ptr: 是一种弱引用，指向 shared_ptr 所管理的对象

以上三种都定义在memory头文件中；

2.智能指针作用

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，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
• 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。
• 智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。陈硕-值语义

3.shared_ptr

3.1shared_ptr原理

• 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。

3.2shared_ptr使用

• 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 p4 = new int(1);的写法是错误的
• 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
• 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
• 避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，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;
        //make_shared<T>(args):返回一个 shared_ptr,指向一个动态分配的类型为T的对象。使用args初始化此对象；
        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;
    }
}

4.unique_ptr

《C++Primer》P417

4.1unique_ptr 原理

• 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）。
• 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。

4.2unique_ptr 使用

#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;  //不能赋值
        //std::unique_ptr<int> uptr2(uptr);  //不能拷贝
        std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //转换所有权
        uptr2.release(); //释放所有权
    }
    //超过uptr的作用域，內存释放
}

5.weak_ptr

5.1weak_ptr原理

• 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。
  复制代码

5.2weak_ptr使用

#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
}

6.循环引用

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;
}

7.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。
复制代码

  #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
 }