C++中的智能指针

智能指针的基础知识

智能指针能做到保证资源的自动释放

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利用栈上对象离开作用自动析构的特性保证自动释放。

//智能指针简单的实现
template
class CSmartPtr{    
public:
    CSmartPtr(T* ptr= nullptr):_mptr(ptr){}
    ~CSmartPtr(){
        delete _mptr;
    }
    
    T& operator*(){//实现智能指针的解引用
        return *_mptr;
    }
    T* operator->(){
        return _mptr;
    }
private:
    T* _mptr;
};

不带引用计数的智能指针

在使用智能指针的使用要先引用memory库

stl中提供了三种不带引用计数的智能指针：auto_ptr、scoped_ptr和unique_ptr

auto_ptr在使用过程中，如果进行赋值和拷贝运算时，会将第一个指针置空，让拷贝或赋值的指针管理之前的内存。基本不使用这个。auto_ptr的源码：

template
	class auto_ptr
	{	// wrap an object pointer to ensure destruction
public:
	typedef _Ty element_type;

	explicit auto_ptr(_Ty * _Ptr = nullptr) noexcept
		: _Myptr(_Ptr)
		{	// construct from object pointer
		}

	/*这里是auto_ptr的拷贝构造函数，
	_Right.release()函数中，把_Right的_Myptr
	赋为nullptr，也就是换成当前auto_ptr持有资源地址
	*/
	auto_ptr(auto_ptr& _Right) noexcept
		: _Myptr(_Right.release())
		{	// construct by assuming pointer from _Right auto_ptr
		}
		
	_Ty * release() noexcept
		{	// return wrapped pointer and give up ownership
		_Ty * _Tmp = _Myptr;
		_Myptr = nullptr;
		return (_Tmp);
		}
private:
	_Ty * _Myptr;	// the wrapped object pointer
};

一个面试题：可以在vector中使用auto_ptr吗？

​ 答：最好不要，因为在使用容器的过程中，难免会发生拷贝（容器1复制到容器2），而auto_ptr的实现方式中为了避免浅拷贝，会把初始的指针置为空，让赋值的指针管理这块内存，之前的指针失去了堆内存的管理权，这样再访问容器1就会发现其中的都是空指针。例子如下：

int main()
{
	vector> vec;
	vec.push_back(auto_ptr(new int(10)));
	vec.push_back(auto_ptr(new int(20)));
	vec.push_back(auto_ptr(new int(30)));
	// 这里可以打印出10
	cout << *vec[0] << endl;
	vector> vec2 = vec;
	/* 这里由于上面做了vector容器的拷贝，相当于容器中
	的每一个元素都进行了拷贝构造，原来vec中的智能指针
	全部为nullptr了，再次访问就成访问空指针了，程序崩溃
	*/
	cout << *vec[0] << endl;
	return 0;
}

【auto_ptr总结】：auto_ptr智能指针不带引用计数，那么它处理浅拷贝的问题，是直接把前面的auto_ptr都置为nullptr，只让最后一个auto_ptr持有资源。

scoped_ptr中将拷贝构造函数和赋值重载函数都删除了，从源码中禁止了拷贝和赋值。这个指针用的也比较少.源码如下：

template class scoped_ptr // noncopyable
{
private:
    T * px;
	
	/*
	私有化拷贝构造函数和赋值函数，这样scoped_ptr的智能指针
	对象就不支持这两种操作，从根本上杜绝浅拷贝的发生
	*/
    scoped_ptr(scoped_ptr const &);
    scoped_ptr & operator=(scoped_ptr const &);
 
    typedef scoped_ptr this_type;
		
	/*
	私有化逻辑比较运算符重载函数，不支持scoped_ptr的智能指针
	对象的比较操作
	*/
    void operator==( scoped_ptr const& ) const;
    void operator!=( scoped_ptr const& ) const;
 
public:
    typedef T element_type;
    explicit scoped_ptr( T * p = 0 ): px( p ) // never throws
    {
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
        boost::sp_scalar_constructor_hook( px );
#endif
    }
 
#ifndef BOOST_NO_AUTO_PTR
	/*支持从auto_ptr构造一个scoped_ptr智能指针对象，
	但是auto_ptr因为调用release()函数，导致其内部指
	针为nullptr*/
    explicit scoped_ptr( std::auto_ptr p ) BOOST_NOEXCEPT : px( p.release() )
    {
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
        boost::sp_scalar_constructor_hook( px );
#endif
    }
 
#endif
	/*析构函数，释放智能指针持有的资源*/
    ~scoped_ptr() // never throws
    {
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
        boost::sp_scalar_destructor_hook( px );
#endif
        boost::checked_delete( px );
    }
};

从scoped_ptr的源码可以看到，该智能指针由于私有化了拷贝构造函数和operator=赋值函数，因此从根本上杜绝了智能指针浅拷贝的发生，所以scoped_ptr也是不能用在容器当中的，如果容器互相进行拷贝或者赋值，就会引起scoped_ptr对象的拷贝构造和赋值，这是不允许的，代码会提示编译错误。

推荐使用unique_ptr，与scoped_ptr相同，也是删除了拷贝构造和赋值重载函数，但是定义了移动构造函数，在调用过程中需要使用move函数，可以对右值进行接管，好处是用户可以感知之前的指针不能再对内存进行管理了，心中有数。源码如下：

template	// = default_delete<_Ty>
	class unique_ptr
		: public _Unique_ptr_base<_Ty, _Dx>
	{	// non-copyable pointer to an object
public:
	typedef _Unique_ptr_base<_Ty, _Dx> _Mybase;
	typedef typename _Mybase::pointer pointer;
	typedef _Ty element_type;
	typedef _Dx deleter_type;

	/*提供了右值引用的拷贝构造函数*/
	unique_ptr(unique_ptr&& _Right) noexcept
		: _Mybase(_Right.release(),
			_STD forward<_Dx>(_Right.get_deleter()))
		{	// construct by moving _Right
		}
	
	/*提供了右值引用的operator=赋值重载函数*/
	unique_ptr& operator=(unique_ptr&& _Right) noexcept
		{	// assign by moving _Right
		if (this != _STD addressof(_Right))
			{	// different, do the move
			reset(_Right.release());
			this->get_deleter() = _STD forward<_Dx>(_Right.get_deleter());
			}
		return (*this);
		}

	/*
	交换两个unique_ptr智能指针对象的底层指针
	和删除器
	*/
	void swap(unique_ptr& _Right) noexcept
		{	// swap elements
		_Swap_adl(this->_Myptr(), _Right._Myptr());
		_Swap_adl(this->get_deleter(), _Right.get_deleter());
		}

	/*通过自定义删除器释放资源*/
	~unique_ptr() noexcept
		{	// destroy the object
		if (get() != pointer())
			{
			this->get_deleter()(get());
			}
		}
	
	/*unique_ptr提供->运算符的重载函数*/
	_NODISCARD pointer operator->() const noexcept
		{	// return pointer to class object
		return (this->_Myptr());
		}

	/*返回智能指针对象底层管理的指针*/
	_NODISCARD pointer get() const noexcept
		{	// return pointer to object
		return (this->_Myptr());
		}

	/*提供bool类型的重载，使unique_ptr对象可以
	直接使用在逻辑语句当中，比如if,for,while等*/
	explicit operator bool() const noexcept
		{	// test for non-null pointer
		return (get() != pointer());
		}
    
    /*功能和auto_ptr的release函数功能相同，最终也是只有一个unique_ptr指针指向资源*/
	pointer release() noexcept
		{	// yield ownership of pointer
		pointer _Ans = get();
		this->_Myptr() = pointer();
		return (_Ans);
		}

	/*把unique_ptr原来的旧资源释放，重置新的资源_Ptr*/
	void reset(pointer _Ptr = pointer()) noexcept
		{	// establish new pointer
		pointer _Old = get();
		this->_Myptr() = _Ptr;
		if (_Old != pointer())
			{
			this->get_deleter()(_Old);
			}
		}
	/*
	删除了unique_ptr的拷贝构造和operator=赋值函数，
	因此不能做unique_ptr智能指针对象的拷贝构造和
	赋值，防止浅拷贝的发生
	*/
	unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
	unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;
	};

但是unique_ptr提供了带右值引用参数的拷贝构造和赋值，也就是说，unique_ptr智能指针可以通过右值引用进行拷贝构造和赋值操作，或者在产生unique_ptr临时对象的地方，如把unique_ptr作为函数的返回值时，示例代码如下：

// 示例1
unique_ptr ptr(new int);
unique_ptr ptr2 = std::move(ptr); // 使用了右值引用的拷贝构造  ptr此时就不持有资源了，无法访问
ptr2 = std::move(ptr); // 使用了右值引用的operator=赋值重载函数

// 示例2
unique_ptr test_uniqueptr()
{
	unique_ptr ptr1(new int);
	return ptr1;
}
int main()
{
	/*
	此处调用test_uniqueptr函数，在return ptr1代码
	处，调用右值引用的拷贝构造函数，由ptr1拷贝构造ptr
	*/
	unique_ptr ptr = test_uniqueptr();
	return 0;
}

unique_ptr还提供了reset重置资源，swap交换资源等函数，也经常会使用到。可以看到，unique_ptr从名字就可以看出来，最终也是只能有一个该智能指针引用资源，因此建议在使用不带引用计数的智能指针时，可以优先选择unique_ptr智能指针。

带引用计数的智能指针

自己实现：

template
class RefCnt {//计数类
public:
    RefCnt(T *ptr = nullptr) : _mptr(ptr) {
        if (_mptr != nullptr) {
            _mcount = 1;
        }
    }

    void addRef() { _mcount++; }

    int delRef() { return --_mcount; }

private:
    T *_mptr;
    int _mcount;
};

template
class CSmartPtr {
public:
    CSmartPtr(T *ptr = nullptr) : _mptr(ptr) {
        _mRefPtr = new RefCnt(_mptr);
    }

    ~CSmartPtr() {
        if (0 == _mRefPtr->delRef()) {
            delete _mptr;
            _mptr = nullptr;
        }
    }

    CSmartPtr(const CSmartPtr &src)
            : _mptr(src._mptr), _mRefPtr(src._mRefPtr) {
        if (_mptr != nullptr)
            _mRefPtr->addRef();
    }

    CSmartPtr &operator=(const CSmartPtr &src) {
        if (this == &src) {
            return *this;
        }
        if (0 == _mRefPtr->delRef()) {
            delete _mptr;
        }

        _mptr = src._mptr;
        _mRefPtr = src._mRefPtr;
        _mRefPtr->addRef();
        return *this;
    }

    T &operator*() {
        return *_mptr;
    }

    T *operator->() {
        return _mptr;
    }

private:
    T *_mptr;
    RefCnt *_mRefPtr;
};

C++stl里提供的带有引用计数的智能指针shared_ptr和weak_ptr的使用是线程安全的，底层的引用计数已经通过CAS操作。

shared_ptr交叉引用问题

stl中提供了两个带有引用计数的智能指针

shared_ptr：强智能指针，可以改变资源的引用计数

weak_ptr：弱智能指针，不会改变资源的引用计数

有这样一例子,是shared_ptr的交叉引用：

#include 
#include 
using namespace std;

class B; // 前置声明类B
class A
{
public:
	A() { cout << "A()" << endl; }
	~A() { cout << "~A()" << endl; }
	shared_ptr _ptrb; // 指向B对象的智能指针
};
class B
{
public:
	B() { cout << "B()" << endl; }
	~B() { cout << "~B()" << endl; }
	shared_ptr _ptra; // 指向A对象的智能指针
};
int main()
{
	shared_ptr ptra(new A());// ptra指向A对象，A的引用计数为1
	shared_ptr ptrb(new B());// ptrb指向B对象，B的引用计数为1
	ptra->_ptrb = ptrb;// A对象的成员变量_ptrb也指向B对象，B的引用计数为2
	ptrb->_ptra = ptra;// B对象的成员变量_ptra也指向A对象，A的引用计数为2

	cout << ptra.use_count() << endl; // 打印A的引用计数结果:2
	cout << ptrb.use_count() << endl; // 打印B的引用计数结果:2

	/*
	出main函数作用域，ptra和ptrb两个局部对象析构，分别给A对象和
	B对象的引用计数从2减到1，达不到释放A和B的条件（释放的条件是
	A和B的引用计数为0），因此造成两个new出来的A和B对象无法释放，
	导致内存泄露，这个问题就是“强智能指针的交叉引用(循环引用)问题”
	*/
	return 0;
}

#include 
#include 
using namespace std;

class B; // 前置声明类B
class A
{
public:
	A() { cout << "A()" << endl; }
	~A() { cout << "~A()" << endl; }
	weak_ptr _ptrb; // 指向B对象的弱智能指针。引用对象时，用弱智能指针
};
class B
{
public:
	B() { cout << "B()" << endl; }
	~B() { cout << "~B()" << endl; }
	weak_ptr _ptra; // 指向A对象的弱智能指针。引用对象时，用弱智能指针
};
int main()
{
    // 定义对象时，用强智能指针
	shared_ptr ptra(new A());// ptra指向A对象，A的引用计数为1
	shared_ptr ptrb(new B());// ptrb指向B对象，B的引用计数为1
	// A对象的成员变量_ptrb也指向B对象，B的引用计数为1，因为是弱智能指针，引用计数没有改变
	ptra->_ptrb = ptrb;
	// B对象的成员变量_ptra也指向A对象，A的引用计数为1，因为是弱智能指针，引用计数没有改变
	ptrb->_ptra = ptra;

	cout << ptra.use_count() << endl; // 打印结果:1
	cout << ptrb.use_count() << endl; // 打印结果:1

	/*
	出main函数作用域，ptra和ptrb两个局部对象析构，分别给A对象和
	B对象的引用计数从1减到0，达到释放A和B的条件，因此new出来的A和B对象
	被析构掉，解决了“强智能指针的交叉引用(循环引用)问题”
	*/
	return 0;
}

#include 
#include 
using namespace std;

class Test
{
public:
	// 构造Test对象，_ptr指向一块int堆内存，初始值是20
	Test() :_ptr(new int(20)) 
	{
		cout << "Test()" << endl;
	}
	// 析构Test对象，释放_ptr指向的堆内存
	~Test()
	{
		delete _ptr;
		_ptr = nullptr;
		cout << "~Test()" << endl;
	}
	// 该show会在另外一个线程中被执行
	void show()
	{
		cout << *_ptr << endl;
	}
private:
	int *volatile _ptr;
};
void threadProc(Test *p)
{
	// 睡眠两秒，此时main主线程已经把Test对象给delete析构掉了
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
	/* 
	此时当前线程访问了main线程已经析构的共享对象，结果未知，隐含bug。
	此时通过p指针想访问Test对象，需要判断Test对象是否存活，如果Test对象
	存活，调用show方法没有问题；如果Test对象已经析构，调用show有问题！
	*/
	p->show();
}
int main()
{
	// 在堆上定义共享对象
	Test *p = new Test();
	// 使用C++11的线程类，开启一个新线程，并传入共享对象的地址p
	std::thread t1(threadProc, p);
	// 在main线程中析构Test共享对象
	delete p;
	// 等待子线程运行结束
	t1.join();
	return 0;
}

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

class Test
{
public:
	// 构造Test对象，_ptr指向一块int堆内存，初始值是20
	Test() :_ptr(new int(20)) 
	{
		cout << "Test()" << endl;
	}
	// 析构Test对象，释放_ptr指向的堆内存
	~Test()
	{
		delete _ptr;
		_ptr = nullptr;
		cout << "~Test()" << endl;
	}
	// 该show会在另外一个线程中被执行
	void show()
	{
		cout << *_ptr << endl;
	}
private:
	int *volatile _ptr;
};
void threadProc(weak_ptr pw) // 通过弱智能指针观察强智能指针
{
	// 睡眠两秒
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
	/* 
	如果想访问对象的方法，先通过pw的lock方法进行提升操作，把weak_ptr提升
	为shared_ptr强智能指针，提升过程中，是通过检测它所观察的强智能指针保存
	的Test对象的引用计数，来判定Test对象是否存活，ps如果为nullptr，说明Test对象
	已经析构，不能再访问；如果ps!=nullptr，则可以正常访问Test对象的方法。
	*/
	shared_ptr ps = pw.lock();
	if (ps != nullptr)
	{
		ps->show();
	}
}
int main()
{
	// 在堆上定义共享对象
	shared_ptr p(new Test);
	// 使用C++11的线程，开启一个新线程，并传入共享对象的弱智能指针
	std::thread t1(threadProc, weak_ptr(p));
	// 在main线程中析构Test共享对象
	// 等待子线程运行结束
	t1.join();
	return 0;
}

int main()
{
	// 在堆上定义共享对象
	shared_ptr p(new Test);
	// 使用C++11的线程，开启一个新线程，并传入共享对象的弱智能指针
	std::thread t1(threadProc, weak_ptr(p));
	// 在main线程中析构Test共享对象
	// 设置子线程分离
	t1.detach();
	return 0;
}

unique_ptr> ptr1(new int[100],
                                          [](int *p)->void{//使用lambda表达式
    cout<<"call lambda release int[100]"<> ptr2(fopen("data.txt","w"),
    [](FILE* p)->void {
    	cout<<"call lambda release FILE*"<