c++智能指针

要想了解智能指针的原理和使用，我们先解释一下RAII

RAII

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。

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

智能指针的原理

1. RAII特性
2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

下面是一个简单的智能指针的实现

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;
};

struct Date
{
  	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	*sp1 = 10
	cout<<*sp1<<endl;
	SmartPtr<int> sparray(new Date);
	// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
	// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
	sparray->_year = 2018;
	sparray->_month = 1;
	sparray->_day = 1;
}

智能指针的种类

std::auto_ptr

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。

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bit::auto_ptr来了解它的原理

template<class T>
class auto_ptr
{
public:
	auto_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	
	auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
	:_ptr(sp._ptr)
	{
		// 管理权转移
		sp._ptr = nullptr;
	}
	
	auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<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;
			// 转移ap中资源到当前对象中
			_ptr = ap._ptr;
			ap._ptr = NULL;
		}
		return *this;
	}
	
	~auto_ptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
	}
	
	// 像指针一样使用
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	
	private:
		T* _ptr;
};

结论：auto_ptr是一个失败设计，很多公司明确要求不能使用auto_ptr
如下列会出现指针悬空

int main()
{
 	std::auto_ptr<int> sp1(new int);
	std::auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移

 // sp1悬空
 *sp2 = 10;
 cout << *sp2 << endl;
 cout << *sp1 << endl;
 return 0;
}

std::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 unique_ptr
{
public:
	unique_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	
	~unique_ptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
	}
	
	// 像指针一样使用
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}

//防拷贝
unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;

private:
	T* _ptr;
};

std::shared_ptr(重点)

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。

1. 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享。
2. 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。
3. 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；
4. 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。

template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	shared_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
		, _pRefCount(new int(1))
		, _pmtx(new mutex)
	{}
	
	shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _pRefCount(sp._pRefCount)
		, _pmtx(sp._pmtx)
	{
		AddRef();
	}
	
	void Release()
	{
		_pmtx->lock();
		bool flag = false;
		if (--(*_pRefCount) == 0 && _ptr)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
			delete _pRefCount;
			flag = true;
		}
		_pmtx->unlock();
		if (flag == true)
		{
			delete _pmtx;
		}
	}
	
	void AddRef()
	{
		_pmtx->lock();
		++(*_pRefCount);
		_pmtx->unlock();
	}
		
	shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
	{
		//if (this != &sp)
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			Release();
			_ptr = sp._ptr;
			_pRefCount = sp._pRefCount;
			_pmtx = sp._pmtx;
			AddRef();
		}
		return *this;
	}
	
	int use_count()
	{
		return *_pRefCount;
	}
	
	~shared_ptr()
	{
		Release();
	}
	
	// 像指针一样使用
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	
	T* get() const
	{
		return _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
	int* _pRefCount;
	mutex* _pmtx;
};

std::shared_ptr的线程安全问题

std::shared_ptr本身是线程安全的，引用计数的加减是加锁保护的。但是指向资源不是线程安全的

原因分析：

1. 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。所以智能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
2. 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

给定以下场景

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);
		
		node1->_next = node2;
		node2->_prev = node1;

		return 0;
}

对以上循环引用代码进行分析

1. 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。
2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
3. 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。
4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
6. 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
   
   故对以上循环引用问题
   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。

将上面代码改为

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);

	node1->_next = node2;
	node2->_prev = node1;

	return 0;
}

因此出现了std::weak_ptr

template<class T>
class weak_ptr
{
public:
	weak_ptr()
		:_ptr(nullptr)
	{}
	
	weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp.get())
	{}
	
	weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
	{
		_ptr = sp.get();
		return *this;
	}
	
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	
private:
	T* _ptr;
};