1.为什么需要智能指针？
C++中异常经常会导致资源泄漏的问题，比如在new和delete中抛出了异常，导致内存泄漏，在lock和 unlock之间抛出了异常导致死锁。为了解决这些情况，我们通常使用RII来解决。
2.智能指针的使用及原理
2.1 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对资源进行释放。借此，我们实际上把对一份资源的责任托管给了一个对象。**这种做法有以下两大好处：
- 不需要显示地释放资源
- 采用这种方式，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{
}
~SmartPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
private:
T* _ptr;
} ;
2.2 智能指针的原理
上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去 访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。*
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 = 2019;
//本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
sparray->_year = 2019;
sparray->_month = 10;
sparray->_month = 18;
}
总结一下智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和 opertaor-> ，具有像指针一样的行为。
2.3 std::autoptr
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。对象进行拷贝时，就会将该对象中的资源转移给另一个对象，将自身的置空。
#include<memory>
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
Date()
{
cout<<"Date()"<<endl;
}
~Date()
{
cout<<"~Date()"<<endl;
}
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
auto_ptr<Date> ap(new Date);
auto_ptr<Date> copy(ap);
//auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，前面的对象就悬空了
// C++98中设计的auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr
ap->_year = 2019;
return 0;
}
上面代码的调试结果：
下面简化模拟实现了一份AutoPtr来了解它的原理：
// 模拟实现一份简答的AutoPtr,了解原理
template<class T>
class AutoPtr
{
public:
AutoPtr(T* ptr = NULL)
: _ptr(ptr)
{}
~AutoPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
// 一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后另ap与其所管理资源断开联系，
// 这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题
AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
: _ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = NULL;
}
AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<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;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
2.4 std::unique_ptr
C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr
int main()
{
unique_ptr<Date> up(new Date);
// unique_ptr的设计思路非常的粗暴-防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。 unique_ptr<Date> copy(ap);
return 0;
}
由下面的结果可以看出，unique_ptr 是不允许进行拷贝的，这也就是unique_ptr的实现原理 ：简单粗暴的防止拷贝。
下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理 ：
// 模拟实现一份简答的unique_ptr,了解原理
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
unique_ptr(T* ptr = NULL)
: _ptr(ptr)
{}
~AutoPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
private:
//c++98的防拷贝方式：只声明不实现+声明为私有
unique_ptr(unique_ptr<T> const&);
unique_ptr& operator= (unique_ptr<T> const&);
//c++11 防止拷贝的方式：delete
unique_ptr(unique_ptr<T> const&) = delete;
unique_ptr& operator= (unique_ptr<T> const&) = delete;
private:
T* _ptr;
};
2.5 std::shared_ptr
C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
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.
- 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共享。
- 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。
- 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；
- 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.
#include<iostream>
#include<mutex>
using namespace std;
template<class T>
class sharedptr
{
public:
sharedptr(T* ptr = nullptr)
:_ptr(ptr)
, _count(new int(1))
, _pMutex(new mutex)
{
}
//拷贝构造
sharedptr(const sharedptr<T>& sp)
: _ptr(sp.ptr)
, _count(sp.count)
, _pMutex(sp.count)
{
addCount();
}
//赋值重载
sharedptr& operator=(const sharedptr& sp)
{
//防止自己自己赋值
if (_ptr != sp._ptr)
{
//释放自己的资源
Release();
//共享管理新对象的资源,并增加引用计数
_ptr = sp._ptr;
_count = sp._count;
_pMutex = sp._pMutex;
addCount();
}
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
void addCount()
{
_pMutex.lock();
++(*_count);
_pMutex.unlock();
}
int use_count()
{
return *_count;
}
T* Get
{
return _ptr;
}
~sharedptr()
{
Release();
}
private:
void Release()
{
bool deleteflag = false;
//引用计数减一，如果减到0，则释放资源
_pMutex.lock();
if (--(*_count) == 0)
{
delete _ptr;
delete _count;
deleteflag = true;
}
_pMutex.unlock();
if (deleteflag)
{
delete _pMutex;
}
}
private:
T* _ptr;
int* _count;
mutex* _pMutex;
};
std::shared_ptr的线程安全问题
通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：
- 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。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是 线程安全的。
- 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．
//下面代码我们使用SharedPtr演示，是为了方便演示引用计数的线程安全问题，
//将代码中的SharedPtr换成 shared_ptr进行测试，可以验证库的shared_ptr，发现结论是一样的。
void sharedptrFunc(shared_ptr<Date>& sp,size_t n)
{
cout<< sp.get()<<endl;
for(size_t i = 0;i<n;i++)
{
//这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的
shared_ptr<Date> copy(sp);
//这里智能指针的访问管理的资源，不是线程安全的。所以我们看看这些值两个线程++了 2n次 ，但最中的结果不一定是2n
copy->_year++;
copy->_month++;
copy->_day++;
}
}
int main()
{
shared_ptr<Date> p(new Date);
cout<< p.get()<<endl;
const size_t n =100;
thread t1(sharedptrFunc,p,n);
thread t2(sharedptrFunc,p,n);
t1.join();
t2.join();
cout<<p->_year<<endl;
cout<<p->_month<<endl;
cout<<p->_dat<<endl;
return 0;
}
std:: shared_ptr 循环引用
看下面的代码：
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);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
循环引用分析：
- 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。
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- 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。
- 也就是说_next析构了，node2就释放了。
- 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
- 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。
// 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
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);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
return 0;
}
如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题 （ps：删除器这个问题我们了解一下）
// 仿函数的删除器
template<class T>
struct FreeFunc
{
void operator()(T* ptr)
{
cout << "free:" << ptr << endl;
free(ptr);
}
};
template<class T>
struct DeleteArrayFunc
{
void operator()(T* ptr)
{
cout << "delete[]" << ptr << endl;
delete[] ptr;
}
};
int main()
{
FreeFunc<int> freeFunc;
shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
return 0;
}
成功将malloc出来的资源释放：
3.C++11和boost中智能指针的关系
- C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
- C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
- C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
- C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的 scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。
