详解C++11智能指针

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前言

C++里面的四个智能指针: auto_ptr, unique_ptr,shared_ptr, weak_ptr 其中后三个是C++11支持，并且第一个已经被C++11弃用。

C++11智能指针介绍

智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象。当栈对象的生存周期结束后，会在析构函数中释放掉申请的内存，从而防止内存泄漏。C++ 11中最常用的智能指针类型为shared_ptr,它采用引用计数的方法，记录当前内存资源被多少个智能指针引用。该引用计数的内存在堆上分配。当新增一个时引用计数加1，当过期时引用计数减一。只有引用计数为0时，智能指针才会自动释放引用的内存资源。对shared_ptr进行初始化时不能将一个普通指针直接赋值给智能指针，因为一个是指针，一个是类。可以通过make_shared函数或者通过构造函数传入普通指针。并可以通过get函数获得普通指针。

为什么要使用智能指针

智能指针的作用是管理一个指针，因为存在以下这种情况：申请的空间在函数结束时忘记释放，造成内存泄漏。使用智能指针可以很大程度上的避免这个问题，因为智能指针就是一个类，当超出了类的作用域是，类会自动调用析构函数，析构函数会自动释放资源。所以智能指针的作用原理就是在函数结束时自动释放内存空间，不需要手动释放内存空间。

auto_ptr

（C++98的方案，C++11已经抛弃）采用所有权模式。

auto_ptr<string> p1 (new string ("I reigned lonely as a cloud.")); 
auto_ptr<string> p2; 
p2 = p1; //auto_ptr不会报错.

此时不会报错，p2剥夺了p1的所有权，但是当程序运行时访问p1将会报错。所以auto_ptr的缺点是：存在潜在的内存崩溃问题！

unique_ptr

（替换auto_ptr）unique_ptr实现独占式拥有或严格拥有概念，保证同一时间内只有一个智能指针可以指向该对象。它对于避免资源泄露(例如“以new创建对象后因为发生异常而忘记调用delete”)特别有用。

采用所有权模式，还是上面那个例子

unique_ptr<string> p3 (new string ("auto"));   //#4
unique_ptr<string> p4；                       //#5
p4 = p3;//此时会报错！！

编译器认为p4=p3非法，避免了p3不再指向有效数据的问题。尝试复制p3时会编译期出错，而auto_ptr能通过编译期从而在运行期埋下出错的隐患。因此，unique_ptr比auto_ptr更安全。

另外unique_ptr还有更聪明的地方：当程序试图将一个 unique_ptr 赋值给另一个时，如果源 unique_ptr 是个临时右值，编译器允许这么做；如果源 unique_ptr 将存在一段时间，编译器将禁止这么做，比如：

unique_ptr<string> pu1(new string ("hello world")); 
unique_ptr<string> pu2; 
pu2 = pu1;                                      // #1 不允许
unique_ptr<string> pu3; 
pu3 = unique_ptr<string>(new string ("You"));   // #2 允许

其中#1留下悬挂的unique_ptr(pu1)，这可能导致危害。而#2不会留下悬挂的unique_ptr，因为它调用 unique_ptr 的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权让给 pu3 后就会被销毁。这种随情况而已的行为表明，unique_ptr 优于允许两种赋值的auto_ptr 。

注：如果确实想执行类似与#1的操作，要安全的重用这种指针，可给它赋新值。C++有一个标准库函数std::move()，让你能够将一个unique_ptr赋给另一个。尽管转移所有权后 还是有可能出现原有指针调用（调用就崩溃）的情况。但是这个语法能强调你是在转移所有权，让你清晰的知道自己在做什么，从而不乱调用原有指针。

（额外：boost库的boost::scoped_ptr也是一个独占性智能指针，但是它不允许转移所有权，从始而终都只对一个资源负责，它更安全谨慎，但是应用的范围也更狭窄。）

例如：

unique_ptr<string> ps1, ps2;
ps1 = demo("hello");
ps2 = move(ps1);
ps1 = demo("alexia");
cout << *ps2 << *ps1 << endl;

shared_ptr

shared_ptr实现共享式拥有概念。多个智能指针可以指向相同对象，该对象和其相关资源会在“最后一个引用被销毁”时候释放。从名字share就可以看出了资源可以被多个指针共享，它使用计数机制来表明资源被几个指针共享。可以通过成员函数use_count()来查看资源的所有者个数。除了可以通过new来构造，还可以通过传入auto_ptr, unique_ptr,weak_ptr来构造。当我们调用release()时，当前指针会释放资源所有权，计数减一。当计数等于0时，资源会被释放。

shared_ptr 是为了解决 auto_ptr 在对象所有权上的局限性(auto_ptr 是独占的), 在使用引用计数的机制上提供了可以共享所有权的智能指针。

成员函数：

use_count 返回引用计数的个数

unique 返回是否是独占所有权( use_count 为 1)

swap 交换两个 shared_ptr 对象(即交换所拥有的对象)

reset 放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少

get 返回内部对象(指针), 由于已经重载了()方法, 因此和直接使用对象是一样的.如

shared_ptr<int> sp(new int(1)); 

sp 与 sp.get()是等价的。

share_ptr的简单例子：

int main()
{
    string *s1 = new string("s1");

    shared_ptr<string> ps1(s1);
    shared_ptr<string> ps2;
    ps2 = ps1;

    cout << ps1.use_count()<<endl;  //2
    cout<<ps2.use_count()<<endl;    //2
    cout << ps1.unique()<<endl; //0

    string *s3 = new string("s3");
    shared_ptr<string> ps3(s3);

    cout << (ps1.get()) << endl;    //033AEB48
    cout << ps3.get() << endl;  //033B2C50
    swap(ps1, ps3); //交换所拥有的对象
    cout << (ps1.get())<<endl;  //033B2C50
    cout << ps3.get() << endl;  //033AEB48

    cout << ps1.use_count()<<endl;  //1
    cout << ps2.use_count() << endl;    //2
    ps2 = ps1;
    cout << ps1.use_count()<<endl;  //2
    cout << ps2.use_count() << endl;    //2
    ps1.reset();    //放弃ps1的拥有权，引用计数的减少
    cout << ps1.use_count()<<endl;  //0
    cout << ps2.use_count()<<endl;  //1
}

weak_ptr

share_ptr虽然已经很好用了，但是有一点share_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。

weak_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的shared_ptr， weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak_ptr 设计的目的是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作, 它只可以从一个 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题,如果说两个shared_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0,资源永远不会释放。它是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。

class B;    //声明
class A
{
public:
    shared_ptr<B> pb_;
    ~A()
    {
        cout << "A delete\n";
    }
};

class B
{
public:
    shared_ptr<A> pa_;
    ~B()
    {
        cout << "B delete\n";
    }
};

void fun()
{
    shared_ptr<B> pb(new B());
    shared_ptr<A> pa(new A());
    cout << pb.use_count() << endl; //1
    cout << pa.use_count() << endl; //1
    pb->pa_ = pa;
    pa->pb_ = pb;
    cout << pb.use_count() << endl; //2
    cout << pa.use_count() << endl; //2
}

int main()
{
    fun();
    return 0;
}

可以看到fun函数中pa ，pb之间互相引用，两个资源的引用计数为2，当要跳出函数时，智能指针pa，pb析构时两个资源引用计数会减1，但是两者引用计数还是为1，导致跳出函数时资源没有被释放（A、B的析构函数没有被调用）运行结果没有输出析构函数的内容，造成内存泄露。如果把其中一个改为weak_ptr就可以了，我们把类A里面的shared_ptr pb_，改为weak_ptr pb_ ，运行结果如下：

1
1
1
2
B delete
A delete

这样的话，资源B的引用开始就只有1，当pb析构时，B的计数变为0，B得到释放，B释放的同时也会使A的计数减1，同时pa析构时使A的计数减1，那么A的计数为0，A得到释放。

注意：我们不能通过weak_ptr直接访问对象的方法，比如B对象中有一个方法print()，我们不能这样访问，pa->pb_->print()，因为pb_是一个weak_ptr，应该先把它转化为shared_ptr，如：

shared_ptr<B> p = pa->pb_.lock();
p->print();

weak_ptr 没有重载*和->但可以使用 lock 获得一个可用的 shared_ptr 对象. 注意, weak_ptr 在使用前需要检查合法性.

expired 用于检测所管理的对象是否已经释放, 如果已经释放, 返回 true; 否则返回 false.

lock 用于获取所管理的对象的强引用(shared_ptr). 如果 expired 为 true, 返回一个空的 shared_ptr; 否则返回一个 shared_ptr, 其内部对象指向与 weak_ptr 相同.

use_count 返回与 shared_ptr 共享的对象的引用计数.

reset 将 weak_ptr 置空.

weak_ptr 支持拷贝或赋值, 但不会影响对应的 shared_ptr 内部对象的计数.

share_ptr和weak_ptr的核心实现

weakptr的作为弱引用指针，其实现依赖于counter的计数器类和share_ptr的赋值，构造，所以先把counter和share_ptr简单实现

Counter简单实现

class Counter
{
public:
    Counter() : s(0), w(0){};
    int s;  //share_ptr的引用计数
    int w;  //weak_ptr的引用计数
};

counter对象的目地就是用来申请一个块内存来存引用基数，s是share_ptr的引用计数，w是weak_ptr的引用计数，当w为0时，删除Counter对象。

share_ptr的简单实现

template <class T>
class WeakPtr; //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用

template <class T>
class SharePtr
{
public:
    SharePtr(T *p = 0) : _ptr(p)
    {
        cnt = new Counter();
        if (p)
            cnt->s = 1;
        cout << "in construct " << cnt->s << endl;
    }
    ~SharePtr()
    {
        release();
    }

    SharePtr(SharePtr<T> const &s)
    {
        cout << "in copy con" << endl;
        _ptr = s._ptr;
        (s.cnt)->s++;
        cout << "copy construct" << (s.cnt)->s << endl;
        cnt = s.cnt;
    }
    SharePtr(WeakPtr<T> const &w) //为了用weak_ptr的lock()，来生成share_ptr用，需要拷贝构造用
    {
        cout << "in w copy con " << endl;
        _ptr = w._ptr;
        (w.cnt)->s++;
        cout << "copy w  construct" << (w.cnt)->s << endl;
        cnt = w.cnt;
    }
    SharePtr<T> &operator=(SharePtr<T> &s)
    {
        if (this != &s)
        {
            release();
            (s.cnt)->s++;
            cout << "assign construct " << (s.cnt)->s << endl;
            cnt = s.cnt;
            _ptr = s._ptr;
        }
        return *this;
    }
    T &operator*()
    {
        return *_ptr;
    }
    T *operator->()
    {
        return _ptr;
    }
    friend class WeakPtr<T>; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值

protected:
    void release()
    {
        cnt->s--;
        cout << "release " << cnt->s << endl;
        if (cnt->s < 1)
        {
            delete _ptr;
            if (cnt->w < 1)
            {
                delete cnt;
                cnt = NULL;
            }
        }
    }

private:
    T *_ptr;
    Counter *cnt;
};

share_ptr的给出的函数接口为：构造，拷贝构造，赋值，解引用，通过release来在引用计数为0的时候删除_ptr和cnt的内存。

weak_ptr简单实现

template <class T>
class WeakPtr
{
public: //给出默认构造和拷贝构造，其中拷贝构造不能有从原始指针进行构造
    WeakPtr()
    {
        _ptr = 0;
        cnt = 0;
    }
    WeakPtr(SharePtr<T> &s) : _ptr(s._ptr), cnt(s.cnt)
    {
        cout << "w con s" << endl;
        cnt->w++;
    }
    WeakPtr(WeakPtr<T> &w) : _ptr(w._ptr), cnt(w.cnt)
    {
        cnt->w++;
    }
    ~WeakPtr()
    {
        release();
    }
    WeakPtr<T> &operator=(WeakPtr<T> &w)
    {
        if (this != &w)
        {
            release();
            cnt = w.cnt;
            cnt->w++;
            _ptr = w._ptr;
        }
        return *this;
    }
    WeakPtr<T> &operator=(SharePtr<T> &s)
    {
        cout << "w = s" << endl;
        release();
        cnt = s.cnt;
        cnt->w++;
        _ptr = s._ptr;
        return *this;
    }
    SharePtr<T> lock()
    {
        return SharePtr<T>(*this);
    }
    bool expired()
    {
        if (cnt)
        {
            if (cnt->s > 0)
            {
                cout << "empty" << cnt->s << endl;
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
    friend class SharePtr<T>; //方便weak_ptr与share_ptr设置引用计数和赋值
    
protected:
    void release()
    {
        if (cnt)
        {
            cnt->w--;
            cout << "weakptr release" << cnt->w << endl;
            if (cnt->w < 1 && cnt->s < 1)
            {
                //delete cnt;
                cnt = NULL;
            }
        }
    }

private:
    T *_ptr;
    Counter *cnt;
};

weak_ptr一般通过share_ptr来构造，通过expired函数检查原始指针是否为空，lock来转化为share_ptr。

详解C++11智能指针

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