智能指针

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智能指针

智能指针

智能指针

概念

简单来说智能指针就是一个类似于指针的玩意，帮我们管理一个对象，不需要我们去手动释放指针所指对象。

智能指针（英语：Smart pointer）是一种抽象的数据类型。在程序设计中，它通常是经由类模板来实现，借由模板来达成泛型，借由类别的析构函数来达成自动释放指针所指向的存储器或对象。

智能指针一般会遵循以下两点：

遵循RAII思想——资源分配即初始化
重载*、->运算符，有些针对数组的智能指针也会重载[]

RAII思想

RAII是英文Resource Acquisition Is Initialization的缩写，指的是资源分配即初始化。

RAII要求，资源的有效期与持有资源的对象的生命期严格绑定，即由对象的构造函数完成资源的分配(获取)，同时由析构函数完成资源的释放。在这种要求下，只要对象能正确地析构，就不会出现资源泄露问题。

重重载`*`、`->`运算符

因为对于指针而言，指针访问一个对象内部成员通常是使用解引用*加.或者->来访问，比如指针p指向的一个对象中有一个成员num，那么我们访问使用的是(*p).num或者p->num，但是智能指针本身是个类，所以重载*、->是为了让和指针一样去访问成员，方便使用。

重载`->`运算符

我们重载运算符的时候，在使用过程中运算符会被消耗掉，比如重载*，*p就相当于operator*()，在智能指针中返回的是该智能指针所指对象。
类比，如果我们用->，实际是相当于operator->()，此时这个运算符就被消耗了，返回一个智能指针所指对象的指针，问题是如果我们要接着访问对象内成员的话，应该还需要一个->，也就是说我们在用的时候应这么用p->->member，但这样极其不便于书写和阅读习惯，因此在这里编译器对其处理成只需要一个->就能访问成员，这里是比较特殊的地方。

为什么需要智能指针

在C++中由于有异常这种扰乱程序执行流程的东西，尽管我们写了new之后马上跟了delete，但是函数里面new了之后还没执行到delete就抛异常跳出函数，导致对象没有被释放造成内存泄漏问题，防不胜防，或者我压根就忘了释放，这个时候就是智能指针登场的时候了。

智能指针本身是一个类，由于类的对象创建时系统会自动调用构造函数，而当对象生命周期结束时，系统会自动调用析构函数，让对象能够自动释放，这样就无需我们手动去管理，也不会出现因执行流被打断造成的内存泄漏问题。

智能指针的历史

auto_ptr：C++98标准中提供了该类的智能指针，但是这个智能指针是个残疾，当使用另一个auto_ptr拷贝时，原指针会被置空，严重影响体验，公司不让用。
scoped_ptr：这个智能指针由Boost的大佬们实现，原因是auto_ptr就是个残废，于是有了这个指针，scoped_ptr是auto_ptr的防拷贝版本，解决了auto的不足，日常使用满足需求，公司推荐使用。
shared_ptr：该指针也是Boost库中的指针，这个版本引入了引用计数实现共享指针，但是会有智能指针相互循环引用的问题，在特定场景会内存泄漏，公司推荐使用。
weak_ptr：Boost库的智能指针，用于解决shared_ptr循环引用的问题，可以接收一个shared_ptr的对象，并指向shared_ptr指向的对象，引用计数独立。
unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr：C++11标准提供，由于Boost库已经实现的很成熟，因此C++11实现的和其很类似，使用也基本没有差别，其中unique_ptr就是Boost库中的scoped_ptr。

shared_ptr的循环引用

当有如下类

struct ListNode
{
	shared_ptr<ListNode> _next;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};

如果存在两个指针p1和p2

p1->_next = p2;
p2->_prev = p1;
此时存在循环引用问题，析构p1的前提是p2->_prev要析构（因为引用计数为2，光析构一个不行），析构p2的前提是p1->_next要析构，这就很麻烦，到了最后析构的时候，引用计数只减了1，两个对象还是没析构掉，反而出现了内存泄漏。。

如何解决

Boost库提供了一种智能指针叫weak_ptr专门解决这类问题，只需要将上述的结构体定义如下，便能解决，由于weak_ptr不影响shared_ptr的引用计数，所以释放时会正常释放

struct ListNode
{
	weak_ptr<ListNode> _next;
	weak_ptr<ListNode> _prev;
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};

库中的智能指针使用

单个对象

单个对象比较简单，不多赘述，看代码即可

struct TestClass
{
public:
	TestClass()
	{
		cout << "TestClass()" << endl;
	}
	~TestClass()
	{
		cout << "~TestClass()" << endl;
	}
private:
	int num;
};

void test()
{

	unique_ptr<TestClass> up(new TestClass);

	shared_ptr<TestClass> sp1(new TestClass);
	shared_ptr<TestClass> sp2(sp1);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	cout << sp2.use_count() << endl;
	cout << sp1.get() << endl;
	cout << sp2.get() << endl;
}

多个对象（数组）或特殊处理类型（FILE指针、malloc/free）

多个对象如果默认不处理，最后只会析构一个对象，甚至可能出错，特殊类型也不能用delete简单处理，比如FILE指针必须用fclose处理，这里就涉及到仿函数处理特殊类型了，自定义一个类，重载()，在创建智能指针时把其对象作为第二个参数传入，处理即按照仿函数处理析构，第二个参数就是给我们自定析构用的，默认用delete，自定可以自定析构方式，如delete[]、free、fclose等，实现自动管理。

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

template <class T>
class DeleteFILE
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "DeleteArray delete array" << endl;
		fclose(ptr);
	}
};

void testArray()
{
	unique_ptr<TestClass[]> up_group(new TestClass[10]);

	//shared智能指针管理数组，自定义删除模式
	shared_ptr<TestClass> sp_group(new TestClass[10], DeleteArray<TestClass>());
	//管理特殊类型
	shared_ptr<FILE> file(fopen("text.txt", "w"), DeleteFILE<FILE>());
}

仿函数

仿函数就是重载了()，比如类A重载了一个函数，有两个int参数，如void operator()(int x1, int x2);，这个时候我们就可以这么调用这个成员，A(1, 2);，由于其调用方式很像函数的调用，但本质是重载了运算符()，因此称之为仿函数。

线程安全问题

使用shared_ptr时会有一个安全问题，由于shared_ptr是可以拷贝的，指向内容可以被多个智能指针访问，如果这些指针在不同的线程内，那么会出现线程安全问题，引用计数也是如此，可能存在短时间内被两个指针访问修改的情况，那么就会出问题。

shared_ptr的线程安全可以分为两层：

引用计数线程安全由指针维护，无需我们多管
指针所指向内容需要用户自己去维护，这样就需要我们对临界资源进行控制，linux下使用信号量或者互斥锁，Windows的话。。不清楚

智能指针的简单实现

auto_ptr

template <class T>
class AutoPtr
{
public:
	AutoPtr(T* ptr = new T)
		:_ptr(ptr)
	{}

	AutoPtr(AutoPtr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
	{
		sp._ptr = NULL;
	}
	
	~AutoPtr()
	{
		delete _ptr;
	}
	
	AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& sp)
	{
		//在auto_ptr中，如果赋值就把原指针直接给置空了，这是一件很蠢的事情
		_ptr = sp._ptr;
		sp._ptr = NULL;
	}
	
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};
//这个版本没有测试用例

scoped_ptr

防拷贝的实现使用delete关键字，删除拷贝构造和operator=()，表明函数已经被删除，无法调用。

template <class T>
class ScopedPtr
{
public:
	ScopedPtr(T* ptr = new T)
		:_ptr(ptr)
	{}

	~ScopedPtr()
	{
		delete _ptr;
	}

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

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	ScopedPtr(ScopedPtr<T>& sp) = delete;
	ScopedPtr<T>& operator=(ScopedPtr<T>& sp) = delete;
	ScopedPtr<T>& operator=(T* ptr) = delete;
protected:
	T* _ptr;
};

void testScopePtr()
{
	ScopedPtr<string> sp;
	//ScopedPtr<string> sp1(sp);//错误，拷贝构造为私有无法调用
	//sp1 = sp;//错误，=运算符重载后为私有，无法调用
	*sp = "hello world";
	cout << *sp << endl;
	sp->at(0) = 'H';//调用string类的at
	cout << *sp << endl;
}

shared_ptr

template <class T>
class SharedPtr
{
	template <class>
	friend class WeakPtr;
public:
	SharedPtr(T* ptr = NULL)
		:_ptr(ptr)
		,_count(new size_t(1))
	{}

	SharedPtr(SharedPtr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _count(sp._count)
	{
		(*_count)++;
	}

	~SharedPtr()
	{
		if (--(*_count) == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _count;
		}
	}

	SharedPtr<T>& operator=(SharedPtr<T>& sp)
	{
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			if (--(*_count) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _count;
			}

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

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

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

void testSharedPtr()
{
	SharedPtr<string> sp = new string;
	SharedPtr<string> sp1;//可以使用
	sp1 = sp;//可以使用
	*sp = "hello world";
	cout << *sp << endl;
	sp->at(0) = 'H';//调用string类的at
	cout << *sp1 << endl;
}

struct List
{
	SharedPtr<List> _next;
	SharedPtr<List> _prev;
	List()
		:_next(NULL)
		, _prev(NULL)
	{}
	~List()
	{
		cout << "~List()" << endl;
	}
};

void testSharedPtrCircularReference()
{
	//这里压根就调不到析构函数，因为引用计数互相引用后为2
	//出作用域后计数为1，还没达到析构条件
	//循环引用问题
	SharedPtr<List> p1 = new List();
	SharedPtr<List> p2 = new List();
	p1->_next = p2;
	p2->_prev = p1;
}

weak_ptr

弱指针用于处理循环引用的问题

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;
	}
protected:
	T* _ptr;
};

struct ListNode
{
	WeakPtr<ListNode> _next;
	WeakPtr<ListNode> _prev;

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

// 循环引用
void TestCycle()
{
	SharedPtr<ListNode> n1 = new ListNode;
	SharedPtr<ListNode> n2 = new ListNode;

	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
}