C++ 详谈智能指针的使⽤及其原理(一)

目录

1. 智能指针的使⽤场景分析

2. RAII和智能指针的设计思路

3. C++标准库智能指针的使⽤

4. 智能指针的原理

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1. 智能指针的使⽤场景分析

下⾯程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后⾯的delete没有得到执⾏，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本⾝也可能抛异常，连续的两个new和下⾯的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很⿇烦。智能指针放到这样的场景⾥⾯就让问题简单多了。

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array和array2没有得到释放。
	// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。
	// 但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案
	// 是智能指针，否则代码太戳了
	int* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		cout << "delete []" << array2 << endl;
		delete[] array1;
		delete[] array2;
		throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

2. RAII和智能指针的设计思路

RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利⽤对象⽣命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这⾥的资源可以是内存、⽂件指针、⽹络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源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，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。

智能指针类除了满⾜RAII的设计思路，还要⽅便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，⽅便访问资源。

template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	// RAII
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		cout << "delete[] " << _ptr << endl;
		delete[] _ptr;
	}
	// 重载运算符，模拟指针的⾏为，⽅便访问资源
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	T& operator[](size_t i)
	{
		return _ptr[i];
	}
private:
	T* _ptr;
};
double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	// 这⾥使⽤RAII的智能指针类管理new出来的数组以后，程序简单多了
	SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
	SmartPtr<int> sp2 = new int[10];
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		sp1[i] = sp2[i] = i;
	}
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Divide(len, time) << endl;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

3. C++标准库智能指针的使⽤

C++标准库中的智能指针都在<memory>这个头⽂件下⾯，我们包含<memory>就可以是使⽤了，智能指针有好⼏种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的⾏为，原理上⽽⾔主要是解决智能指针拷⻉时的思路不同。

auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷⻉时把被拷⻉对象的资源的管理权转移给拷⻉对象，这是⼀个⾮常糟糕的设计，因为他会到被拷⻉对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使⽤auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁⽌使⽤这个智能指针的。

unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点的不⽀持拷⻉，只⽀持移动。如果不需要拷⻉的场景就⾮常建议使⽤他。

shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是⽀持拷⻉，也⽀持移动。如果需要拷⻉的场景就需要使⽤他了。底层是⽤引⽤计数的⽅式实现的。

weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上⾯的智能指针，他不⽀持RAII，也就意味着不能⽤它直接管理资源，weak_ptr的产⽣本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引⽤导致内存泄漏的问题。具体细节下⾯我们再细讲。

智能指针析构时默认是进⾏delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针⽀持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调⽤对象，这个可调⽤对象中实现你想要的释放资源的⽅式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调⽤删除器去释放资源。因为new[]经常使⽤，所以为了简洁⼀点，unique_ptr和shared_ptr都特化了⼀份[]的版本，使⽤时 unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。

template <class T, class... Args> shared_ptr<T> make_shared(Args&&... args);

shared_ptr 除了⽀持⽤指向资源的指针构造，还⽀持 make_shared ⽤初始化资源对象的值直接构造。

shared_ptr 和 unique_ptr 都⽀持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。

shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使⽤explicit 修饰，防⽌普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	~Date()
	{
		cout << "~Date()" << endl;
	}
};
int main()
{
	auto_ptr<Date> ap1(new Date);
	// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
	auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	// 空指针访问，ap1对象已经悬空
	//ap1->_year++;
	unique_ptr<Date> up1(new Date);
	// 不⽀持拷⻉
	//unique_ptr<Date> up2(up1);
	// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
	unique_ptr<Date> up3(move(up1));
	shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	// ⽀持拷⻉
	shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	shared_ptr<Date> sp3(sp2);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	sp1->_year++;
	cout << sp1->_year << endl;
	cout << sp2->_year << endl;
	cout << sp3->_year << endl;
	// ⽀持移动，但是移动后sp1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
	shared_ptr<Date> sp4(move(sp1));
	return 0;
}

template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
	delete[] ptr;
}
template<class T>
class DeleteArray
{
public:
	void operator()(T* ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
};
class Fclose
{
public:
	void operator()(FILE* ptr)
	{
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
	}
};
int main()
{
	// 这样实现程序会崩溃
	// unique_ptr<Date> up1(new Date[10]);
	// shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);
	// 解决⽅案1
	// 因为new[]经常使⽤，所以unique_ptr和shared_ptr
	// 实现了⼀个特化版本，这个特化版本析构时⽤的delete[]
	unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
	shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);
	// 解决⽅案2
	// 仿函数对象做删除器
	//unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5], DeleteArray<Date>
	());
	// unique_ptr和shared_ptr⽀持删除器的⽅式有所不同
	// unique_ptr是在类模板参数⽀持的，shared_ptr是构造函数参数⽀持的
	// 这⾥没有使⽤相同的⽅式还是挺坑的
	// 使⽤仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递，因为仿函数类型构造的对象直接就可以调⽤
	// 但是下⾯的函数指针和lambda的类型不可以
	unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);
	shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
	// 函数指针做删除器
	unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
	shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
	// lambda表达式做删除器
	auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
	unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);
	shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);
	// 实现其他资源管理的删除器
	shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
	shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
		});
	return 0;
}

4. 智能指针的原理

下⾯我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核⼼功能，这两个智能指针的实现⽐较简单，⼤家了解⼀下原理即可。auto_ptr的思路是拷⻉时转移资源管理权给被拷⻉对象，这种思路是不被认可的，也不建议使⽤。unique_ptr的思路是不⽀持拷⻉。

⼤家重点要看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引⽤计数的设计，主要这⾥⼀份资源就需要⼀个引⽤计数，所以引⽤计数才⽤静态成员的⽅式是⽆法实现的，要使⽤堆上动态开辟的⽅式，构造智能指针对象时来⼀份资源，就要new⼀个引⽤计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引⽤计数，shared_ptr对象析构时就--引⽤计数，引⽤计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后⼀个管理资源的对象，则析构资源。

namespace yzk
{
	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;
	};
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		explicit 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;
		}
		unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
		unique_ptr(unique_ptr<T> && sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			sp._ptr = nullptr;
		}
		unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T> && sp)
		{
			delete _ptr;
			_ptr = sp._ptr;
			sp._ptr = nullptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
		{}
		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			, _del(del)
		{}
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pcount(sp._pcount)
			, _del(sp._del)
		{
			++(*_pcount);
		}
		void release()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				// 最后⼀个管理的对象，释放资源
				_del(_ptr);
				delete _pcount;
				_ptr = nullptr;
				_pcount = nullptr;
			}
		}
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr)
			{
				release();
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
				_del = sp._del;
			}
			return *this;
		}
		~shared_ptr()
		{
			release();
		}
		T* get() const
		{
			return _ptr;
		}
		int use_count() const
		{
			return *_pcount;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
		//atomic<int>* _pcount;
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};
	// 需要注意的是我们这⾥实现的shared_ptr和weak_ptr都是以最简洁的⽅式实现的，
	// 只能满⾜基本的功能，这⾥的weak_ptr lock等功能是⽆法实现的，想要实现就要
	// 把shared_ptr和weak_ptr⼀起改了，把引⽤计数拿出来放到⼀个单独类型，shared_ptr
	// 和weak_ptr都要存储指向这个类的对象才能实现，有兴趣可以去翻翻源代码
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
		{}
		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{}
		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();
			return *this;
		}
	private:
		T* _ptr = nullptr;
	};
}
int main()
{
	yzk::auto_ptr<Date> ap1(new Date);
	// 拷⻉时，管理权限转移，被拷⻉对象ap1悬空
	yzk::auto_ptr<Date> ap2(ap1);
	// 空指针访问，ap1对象已经悬空
	//ap1->_year++;
	yzk::unique_ptr<Date> up1(new Date);
	// 不⽀持拷⻉
	//unique_ptr<Date> up2(up1);
	// ⽀持移动，但是移动后up1也悬空，所以使⽤移动要谨慎
	yzk::unique_ptr<Date> up3(move(up1));
	yzk::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
	// ⽀持拷⻉
	yzk::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
	yzk::shared_ptr<Date> sp3(sp2);
	cout << sp1.use_count() << endl;
	sp1->_year++;
	cout << sp1->_year << endl;
	cout << sp2->_year << endl;
	cout << sp3->_year << endl;
	return 0;
}