[C++] 智能指针及循环引用问题

C++智能指针介绍

由于C++没有自动回收内存机制，程序员每次new出来的内存需要手动delete，流程太复杂，忘记delete，会造成内存泄露。所以C++引入了智能指针，智能指针可用于动态资源管理。

智能指针在memory头文件的std命名空间中定义。

更具体的智能指针介绍可以参考我这篇博客：C++11新特性智能指针

C++智能指针的类别

C++11中的：unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr

C++98中的：auto_ptr

unique_ptr

只允许基础指针的一个所有者。可以移到新所有者（具有移动语义），但不会复制或共享（不能得到指向同一个对象的两个unique_ptr），替代auto_ptr，unique_ptr可以实现以下功能：

• 为动态申请的内存提供异常安全
• 将动态申请内存的所有权传递给某个函数
• 从某个函数返回动态申请内存的所有权
• 在容器中保存指针

代码示例：

class A;
//如果程序执行过程中抛出了异常，unique_ptr就会释放它所指向的对象
//传统的new则不会
unique_ptr<A> fun1() {
    unique_ptr p(new A);
    return p;
}

void fun2() {
    unique_ptr<A> p = f();//移动构造函数
}//在函数退出的时候，p及它所指向的对象都被删除释放

shared_ptr

采用引用计数的智能指针。shared_ptr基于引用计数模型实现，多个shared_ptr可指向同一个动态对象，并维护了一个共享的引用计数器，记录了引用同一对象的shared_ptr实例数量。当最后一个指向动态对象的shared_ptr销毁时，会自动销毁其所指对象（通过delete操作符）。shared_ptr默认能力是管理动态内存，但支持自定义delete以实现个性化的资源释放动作，头文件memory。

基本操作：

• shared_ptr的创建、拷贝
• 绑定对象的变更（reset）
• shared_ptr的销毁（手动赋值为nullptr或者离开作用域）

shared_ptr的创建有两种方式：

//使用make_shared函数，会根据传递的参数调用动态对象的构造函数
shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(1);
//使用构造函数（可从原生指针、unique_ptr、另一个shared_ptr创建），直接初始化形式
shared_ptr<int> p2(new int(2));

weak_ptr

结合shared_ptr使用的特例智能指针。weak_ptr提供对一个或多个shared_ptr实例所属对象的访问，但不参与引用计数，在某些情况下需要断开shared_ptr实例间的循环引用，头文件memory

weak_ptr用法：

weak_ptr用于配合shared_ptr使用，但并不影响动态对象的生命周期，即其存在与否并不影响对象的引用计数器。weak_ptr并没有重载operator->和operator*操作符，因此不可直接通过weak_ptr使用对象。提供了expired()和lock()成员函数，前者用于判断weak_ptr指向的对象是否已经被销毁，后者返回其所指对象的shared_ptr强引用指针（对象被销毁时，返回空shared_ptr）。

不能直接通过weak_ptr来访问资源，需要访问资源的时候weak_ptr会生成一个shared_ptr，shared_ptr能够保证在shared_ptr没有被释放之前，其所管理的资源不会被释放

循环引用场景：二叉树父节点与子节点的循环引用，容器与元素之间的循环引用等

智能指针的循环引用

两个对象互相使用一个shared_ptr指向对方，会造成循环引用。代码示例

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;
class A {
 public:
  // weak_ptr<B> pb;
  shared_ptr<B> pb;
  ~A() { cout << "destructor A func" << endl; }
};
class B {
 public:
  // weak_ptr<A> pa;
  shared_ptr<A> pa;
  ~B() { cout << "destructor B func" << endl; }
};
int main() {
  shared_ptr<A> a(new A());
  shared_ptr<B> b(new B());
  // 循环引用
  if (a && b) {
    a->pb = b;
    b->pa = a;
  }
  cout << "a use count:" << a.use_count() << endl;
  return 0;
}

运行结果：

a use count:2

A内部指向B，B内部指向A，这样对于A，B必定是A析构后B才析构，对于B，A必定是B析构后A才析构，这就是循环引用问题，导致内存泄露。

解除循环引用的方法：

• 当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象
• 当A的生存周期超过B的生存周期的时候，B改为使用一个普通指针指向A
• 使用若引用的智能指针weak_ptr打破这种循环引用

shared_ptr就是强引用，当被引用的对象活着的时候，这个引用也就存在（至少有一个强引用，那么这个对象就不能被释放）

weak_ptr就是弱引用，当被引用的对象活着的时候，这个引用不一定存在（弱引用并不修改该对象的引用计数，弱引用并不对对象的内存进行管理，在功能上类似于普通指针，比较大的区别是，弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免访问非法内存）

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B;
class A {
 public:
  weak_ptr<B> pb;
  // shared_ptr<B> pb;
  ~A() { cout << "destructor A func" << endl; }
};
class B {
 public:
  weak_ptr<A> pa;
  // shared_ptr<A> pa;
  ~B() { cout << "destructor B func" << endl; }
};
int main() {
  shared_ptr<A> a(new A());
  shared_ptr<B> b(new B());
  // 循环引用
  if (a && b) {
    a->pb = b;
    b->pa = a;
  }
  cout << "a use count:" << a.use_count() << endl;
  return 0;
}

输出结果：

a use count:1
destructor B func
destructor A func