C++内存列传之RAII宇宙：智能指针

智能指针是 C++ 中用于自动管理动态内存的类模板，它通过 RAII（资源获取即初始化）技术避免手动 new / delete 操作，从而显著减少内存泄漏和悬空指针的风险

1.为什么需要智能指针？

int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}

void Func()
{
	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;
}

如果 p1 这里 new 抛异常会如何？

p1 未成功分配，值为 nullptr
函数直接跳转到 catch 块，p2 未分配，无内存泄漏

如果 p2 这里 new 抛异常会如何？

p1 已分配但未释放，导致内存泄漏
函数跳转到 catch 块，p2 未分配，delete p1 和 delete p2 均未执行

如果 div 调用这里又会抛异常会如何？

p1 和 p2 均已分配但未释放，导致双重内存泄漏
函数跳转到 catch 块，打印错误信息（如 “除 0 错误”）

C++ 不像 java 具有垃圾回收机制，能够自动回收开辟的空间，需要自行手动管理，但是自己管理有时又太麻烦了，况且这里只是两个指针就产生了这么多问题，因此在 C++11 就推出了智能指针用于自动管理内存

2.智能指针原理

2.1 RAll

template<class T>
class SmartPtr 
{
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}
	
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

int main()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int(1));
	SmartPtr<string> sp2(new string("xxx"));
	return 0;
}

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

简单来说，就是把创建的对象给到 SmartPtr 类来管理，当对象的生命周期结束的时候，刚好类也会自动调用析构函数进行内存释放

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

2.2 像指针一样使用

都叫做智能指针了，那肯定是可以当作指针一样使用了，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)
		:_ptr(ptr)
	{}

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

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

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

* 重载返回对象，-> 重载返回地址，这部分的知识点在迭代器底层分析已经讲过很多遍了，就不过多叙述了，可自行翻阅前文

3.C++11的智能指针

智能指针一般放在 <memery> 文件里，C++11 也参考了第三方库 boost

1. C++ 98 中产生了第一个智能指针 auto_ptr
2. C++ boost 给出了更实用的 scoped_ptr 和 shared_ptr 和 weak_ptr
3. C++ TR1，引入了 shared_ptr 等。不过注意的是 TR1 并不是标准版
4. 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

3.1 auto_ptr

template<class T>
class auto_ptr
{
public:
	// RAII
	// 像指针一样
	auto_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

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

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

	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	
	// ap3(ap1)
	// 管理权转移
	auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
		:_ptr(ap._ptr)
	{
		ap._ptr = nullptr;
	}

	auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap) 
	{
		if (this != &ap) 
		{
			_ptr = ap._ptr;       // 转移所有权
			ap._ptr = nullptr;    // 原指针置空
		}
		return *this;
	}
private:
	T* _ptr;
};

auto_ptr 在 C++98 就已经被引入，实现了智能指针如上面所讲的最基础的功能，同时他还额外对拷贝构造、= 重载进行了显式调用，但是这种拷贝虽然能解决新对象的初始化，但是对于被拷贝的对象，造成了指针资源所有权被转移走，跟移动构造有些类似

因此，auto_ptr 会导致管理权转移，拷贝对象被悬空，auto_ptr 是一个失败设计，很多公司明确要求不能使用 auto_ptr

3.2 unique_ptr

template<class T>
class unique_ptr
{
public:
	// RAII
	// 像指针一样
	unique_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

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

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

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

	// ap3(ap1)
	// 管理权转移
	// 防拷贝
	unique_ptr(unique_ptr<T>& ap) = delete;
	unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>& ap) = delete;
private:
	T* _ptr;
};

unique_ptr 很简单粗暴，直接禁止了拷贝机制

因此，建议在不需要拷贝的场景使用该智能指针

3.3 shared_ptr

template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	// RAII
	// 像指针一样
	shared_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
		,_pcount(new int(1))
	{}

	~shared_ptr()
	{
		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
			delete _pcount;
		}
	}

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

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

	// sp3(sp1)
	shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		,_pcount(sp._pcount)
	{
		++(*_pcount);
	}

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

		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _pcount;
		}

		_ptr = sp._ptr;
		_pcount = sp._pcount;
		++(*_pcount);

		return *this;
	}

	int use_count() const
	{
		return *_pcount;
	}

	T* get() const
	{
		return _ptr;
	}

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

C++11 中的智能指针就属 shared_ptr 使用的最多，因为它解决了赋值造成的资源被转移可能会被错误访问的问题

类中增加一个新的指针 _pcount 用于计数，即计数有多少个 _ptr 指向同一片空间，多个 shared_ptr 可以同时指向同一个对象，每次创建新的 shared_ptr 指向该对象，引用计数加 1；每次 shared_ptr 析构或者被赋值为指向其他对象，引用计数减 1。当最后一个指向该对象的 shared_ptr 析构时，对象会被自动删除，从而避免内存泄漏

🔥值得注意的是： shared_ptr 同时也支持了无法自己给自己赋值，这里还涉及一些关于线程安全的知识点，待 Linux 学习过后再来补充

3.4 weak_ptr

看似完美的 shared_ptr 其实也会有疏漏，比如：引用循环

struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _next;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
};
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;
}

当执行 node1->next = node2 和 node2->prev = node1 时，node1 内部的 _next 指针指向 node2 ，node2 内部的 _prev 指针指向 node1 。这就导致两个节点之间形成了循环引用关系。此时，由于互相引用，每个节点的引用计数都变为 2 ，因为除了外部的智能指针引用，还多了来自另一个节点内部指针的引用

当 node1 和 node2 智能指针对象离开作用域开始析构时，它们首先会将所指向节点的引用计数减 1 。此时，每个节点的引用计数变为 1 ，而不是预期的 0 。这是因为 node1 的 _next 还指向 node2 ，node2 的 _prev 还指向 node1 ，使得它们的引用计数无法归零

对于 shared_ptr 来说，只有当引用计数变为 0 时才会释放所管理的资源。由于这种循环引用的存在，node1 等待 node2 先释放（因为 node2 的 _prev 引用着 node1 ），而 node2 又等待 node1 先释放（因为 node1 的 _next 引用着 node2 ），最终导致这两个节点所占用的资源都无法被释放，造成内存泄漏

class ListNode 
{
public:
    weak_ptr<ListNode> _next; 
    weak_ptr<ListNode> _prev;
};

为了解决 shared_ptr 的循环引用问题，通常可以使用 weak_ptr 。weak_ptr 是一种弱引用智能指针，它不会增加所指向对象的引用计数。将循环引用中的某一个引用（比如 ListNode 类中的 _prev 或 _next 其中之一）改为 weak_ptr 类型，就可以打破循环引用

因此，weak_ptr 是一种专门解决循环引用问题的指针

4.删除器

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

using namespace std;

class A 
{
public:
    ~A() 
    { 
        cout << "A::~A()" << endl; 
    }
};

// 仿函数删除器：用于释放malloc分配的内存
template<class T>
struct FreeFunc 
{
    void operator()(T* ptr) const 
    {
        cout << "FreeFunc: free memory at " << ptr << endl;
        free(ptr);
    }
};

// 仿函数删除器：用于释放数组
template<class T>
struct DeleteArrayFunc 
{
    void operator()(T* ptr) const 
    {
        cout << "DeleteArrayFunc: delete[] memory at " << ptr << endl;
        delete[] ptr;
    }
};

int main() 
{
    // 使用FreeFunc删除器的shared_ptr
    shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(sizeof(int)), FreeFunc<int>());
    *sp1 = 100;
    cout << "sp1: " << *sp1 << " at " << sp1.get() << endl;
    // 离开作用域时调用FreeFunc删除器

    // 使用DeleteArrayFunc删除器的shared_ptr
    shared_ptr<int> sp2(new int[5], DeleteArrayFunc<int>());
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        sp2.get()[i] = i;
    }
    cout << "sp2 array:";
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        cout << " " << sp2.get()[i];
    }
    cout << endl;
    // 离开作用域时调用DeleteArrayFunc删除器

    // 使用lambda删除器管理A对象数组
    shared_ptr<A> sp4(new A[3], [](A* p) {
        cout << "Lambda: deleting array at " << p << endl;
        delete[] p;
        });
    cout << "sp4 array of A objects created" << endl;
    // 离开作用域时调用lambda删除器

    // 使用lambda删除器管理文件句柄
    shared_ptr<FILE> sp5(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* p) {
    if (p) 
    {
        cout << "Lambda: closing file" << endl;
        fclose(p);
    }
    });
    if (sp5) 
    {
        fprintf(sp5.get(), "Hello, shared_ptr with deleter!\n");
        cout << "File written" << endl;
    }
    // 离开作用域时调用lambda删除器关闭文件

    return 0;
}

对于所有的指针不一定是 new 出来的对象，因此利用仿函数设置了删除器，这样就可以调用对应的删除

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