C++智能指针shared_ptr的原理与实现

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前言

一、智能指针shared_ptr的原理

shared_ptr 是 C++ 标准库提供的一个智能指针类，它的原理基于引用计数（reference counting）。

当我们使用 shared_ptr 管理一个对象时，实际上会有一个额外的数据结构来维护引用计数信息。这个计数器会记录有多少个 shared_ptr 实例共享同一个指针对象。

在创建 shared_ptr 对象时，引用计数会初始化为 1。如果后续将同一指针赋值给其他 shared_ptr 对象，或者把一个已存在的 shared_ptr 对象拷贝构造给新的 shared_ptr 对象，那么引用计数就会增加。

当 shared_ptr 对象超出作用域或被显式设为 nullptr，引用计数会减少。一旦引用计数减到 0，表示没有任何 shared_ptr 对象管理这个指针，其内部的资源就可以被安全释放了。这意味着，资源的生命周期完全由 shared_ptr 进行控制，无需手动释放。

使用 shared_ptr 的好处是，可以多个对象共享一个资源，避免了手动管理资源释放的复杂性和容易出错的风险。它提供了自动化的内存管理，使得代码更加可靠和可维护。

需要注意的是，引用计数的维护是在堆上进行的，而资源本身可能是位于堆上的动态分配内存，也可以是其他形式的资源，如文件句柄等。shared_ptr 的析构函数会自动释放资源，确保资源被正确地释放，从而避免了内存泄漏和资源泄漏。

另外，为了解决循环引用的问题，shared_ptr 引入了 weak_ptr。weak_ptr 是对 shared_ptr 的一种观察者，可以监测所观察的对象是否还存在，但它不会增加引用计数。这样，我们在遇到可能出现循环引用的情况时，可以使用 weak_ptr 打破引用计数的循环，避免资源无法释放的问题。

二、实现

智能指针类包括构造函数、拷贝构造函数、赋值操作符和析构函数。它还重载了解引用操作符和箭头操作符，使其更像原生指针。这个实现使用一个整数变量来存储引用计数，并在拷贝构造函数和赋值操作符中更新引用计数。在析构函数中，如果引用计数为零，则释放内存资源。

1、成员变量以及析构函数

有两个私有成员变量 _ptr 和 _count，分别用于保存实际的指针地址和引用计数。

接下来是 release 函数，用于释放资源。如果计数为 0 或者减少后计数为 0，那么我们就可以销毁资源，释放指针 delete _ptr，并释放计数 delete _count。

   T* _ptr;
   int* _count;
   // 释放资源  如果计数为0或者减减后计数为0 就销毁
   void release() {
   
      if (_count && --(*_count) == 0) {
   
         delete _ptr;
         delete _count;
      }
   }
      // 析构函数
   ~MySharedPtr() {
    release(); }

2、有参构造函数

1、构造函数使用了一个可选参数 ptr，默认值为 nullptr。这意味着我们可以选择传入一个指向资源的原始指针，或者使用默认值创建一个空的智能指针对象。
2、将参数 ptr 赋值给私有成员变量 _ptr。这样，当前的智能指针对象将指向这个资源。
3、在接下来的条件判断中，我们判断 _ptr 是否为空，即是否有资源需要管理。如果 _ptr 不为空，则说明需要创建一个引用计数。
4、在创建引用计数时，我们使用 new 运算符动态分配内存，将引用计数的初始值设置为 1。这代表着当前智能指针对象是唯一管理这个资源的对象。
5、如果 _ptr 为空，则将引用计数的初始值设置为 0，表示当前智能指针对象不持有任何资源。

   explicit MySharedPtr(T* ptr = nullptr) : _ptr(ptr) {
   
      if (_ptr) {
   
         _count = new int(1);
      } else {
   
         _count = new