C++11新特性之shared_ptr智能指针

1.为什么引入智能指针？

        在实际开发中，经常会遇到程序运行崩溃、占用内存越来越多等问题。这往往是由于内存资源管理不当造成的。

        为了解决这些问题，人们认为C++应该提供更加友好的内存管理机制，从而将精力专注于开发项目的功能上。

        C++98/03标准中，支持使用auto_ptr智能指针来实现堆内存的自动回收。但C++11标准中则废弃了auto_ptr，新增了shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr三个智能指针来实现堆内存的自动回收。（本文主要介绍shared_ptr智能指针）

2.什么是智能指针

        智能指针顾名思义就是“智能”的指针，具体来看，智能指针与普通指针用法类似，区别就是，智能指针可以在适当的时机自动释放分配的内存，从而避免“忘记释放内存而导致内存泄漏”问题的出现。

        C++ 智能指针底层是采用引用计数的方式实现的。智能指针在申请堆内存空间的同时，会为其配备一个整形值（初始值为 1），每当有新对象使用此堆内存时，该整形值 +1；反之，每当使用此堆内存的对象被释放时，该整形值减 1。当堆空间对应的整形值为 0 时，即表明不再有对象使用它，该堆空间就会被释放掉。

3.shared_ptr智能指针

        shared_ptr是以类模板的方式实现的。定义于<memory>头文件，并位于std命名空间。因此在使用时应先包含头文件与命名空间。

        特点：shared_ptr 采用引用计数的机制，允许多个 shared_ptr 共享同一个对象的所有权。每当一个新的 shared_ptr 指向该对象时，引用计数加 1；当一个 shared_ptr 被销毁或不再指向该对象时，引用计数减 1。当引用计数变为 0 时，对象被自动销毁。

4.shared_ptr的用法

        （1）创建shared_ptr智能指针

        shared_ptr类模板中，提供了多种实用的构造函数，可以直接使用。例如：

std::shared_ptr<int> p1;             //不传入任何实参std::shared_ptr<int> 

p2(nullptr);    //传入空指针 nullptr

        创建了一个空智能指针。

std::shared_ptr<int> p3(new int(10));

        创建了一个智能指针，指向一块存有10的堆内存空间。

std::shared_ptr<int> p3 = std::make_shared<int>(10);

        通过模版函数初始化智能指针，与第二种方法创建的完全相同。

        除此之外，还提供了拷贝构造函数与移动构造函数。

//拷贝构造函数
std::shared_ptr<int> p4(p3);
//或 std::shared_ptr<int> p4 = p3;

//调用移动构造函数
std::shared_ptr<int> p5(std::move(p4));
 //或者 std::shared_ptr<int> p5 = std::move(p4);

        注意，一个普通指针不能同时为多个shared_ptr对象赋值，否者程序异常。

        在初始化shared_ptr智能指针时，还可以自定义所指堆内存的释放规则，当堆内存引用计数为0时，优先调用自定义的释放规则。例如：

//指定 default_delete 作为释放规则
std::shared_ptr<int> p6(new int[10], std::default_delete<int[]>());
//自定义释放规则
void deleteInt(int*p) {
    delete []p;
}
//初始化智能指针，并自定义释放规则
std::shared_ptr<int> p7(new int[10], deleteInt);

        如上所示，自定义了释放规则。

        使用lambda表达式，同样可以达到上面的效果。不了解lambda表达式的可以阅读C++11新特性之lambda表达式-优快云博客

std::shared_ptr<int> p7(new int[10], [](int* p) {delete[]p; });

        上面简单介绍了几种初始化方法，除此之外，还有一些其他方法，感兴趣的读者可以到官网更加深入的了解。

        （2）成员方法

        为了方便用户使用shared_ptr智能指针，shared_ptr还提供了一些实用的成员方法，如下所示。

        operator=()——重载赋值号，使同类型的shared_ptr可以相互赋值。

        operator*()——重载*号，获取当前shared_ptr对象指向的数据。

        operator->()——重载->号，当shared_ptr指向的数据类型为自定义类型时，可通过->获取其内部成员。

        operator bool()——判断当前shared_ptr对象是否为空智能指针，

        swap()——交换两个相同类型shared_ptr的内容。

        reset()——主要用于改变shared_ptr的指向，停止对当前对象的管理，并将其指向一个新对象。

        get()——获取shared_ptr对象内部包含的普通指针。

        use_count()——返回当前shared_ptr对象指向相同的所有shared_ptr对象的数量。

        unique()——判断是否有别的shared_ptr对象指向了当前shared_ptr对象所指的堆内存。

除此之外，C++11 标准还支持同一类型的 shared_ptr 对象，或者 shared_ptr 和 nullptr 之间，进行 ==，!=，<，<=，>，>= 运算。

5.总结

智能指针的优点：

       （1）自动内存管理。在合适的时机自动释放内存，减少手动管理的复杂性与错误可能性。

       （2）避免内存泄漏。自动处理对象的声明周期，避免了因遗忘而导致的内存泄漏问题。

       （3）提高代码安全性。减少了悬空指针的出现，提高代码的健壮性。

注意事项：

        （1）性能开销。shared_ptr的引用机制会带来额外的性能开销，如内存分配和引用计数的更新操作等。

        （2）正确使用。根据具体场景选择合适的智能指针类型，避免不恰当的使用导致意外的结果。

如有错误，敬请指正！