c++11&14-智能指针专题

学c++的人都知道，在c++里面有一个痛点，就是动态内存的管理，就我所经历的一些问题来看，很多莫名其妙的问题，最后都发现是内存管理不当引起的。

但像java等其他一些语言则不会有这样的问题，为什么呢，因为它们有很好的处理内存的方法，比如java的垃圾回收机制，现在，我们c++终于也有了智能指针。

1. 什么是智能指针

简单地说，智能指针是用对象去管理一个资源指针，同时用一个计数器计算引用当前指针对象的个数，当管理指针的对象增加或减少时，计数器也相应加1或减1，当最后一个指针管理对象销毁时，计数器为1，此时在销毁指针管理对象的同时，也对指针管理对象所管理的指针进行delete操作。

下面我们介绍两个常用的智能指针std::shared_ptr和std::weak_ptr。

1.1 std::shared_ptr

std::shared_ptr包装了new操作符动态分配的内存，可以自由拷贝复制，基本上是使用最多的一个智能指针类型。

下面是一个代码例子：

#include <memory>
#include <iostream>
class Test
{
public:
    Test()
    {
        std::cout << "Test()" << std::endl;
    }
    ~Test()
    {
        std::cout << "~Test()" << std::endl;
    }
};
int main()
{
    std::shared_ptr<Test> p1 = std::make_shared<Test>();
    std::cout << "1 ref:" << p1.use_count() << std::endl;
    {
        std::shared_ptr<Test> p2 = p1;
        std::cout << "2 ref:" << p1.use_count() << std::endl;
    }
    std::cout << "3 ref:" << p1.use_count() << std::endl;
    return 0;
}

结果如下：

Test()
1 ref:1
2 ref:2
3 ref:1
~Test()

针对代码解读如下：

• std::make_shared里面调用了new操作符分配内存；
• 第二个p1.use_count()之所以显示为2，是因为增加了引用对象p2,而随着大括号的结束，p2的作用域结束，所以p1的引用计数变回1，而随着main函数的结束，p1的作用域结束，此时检测到计数为1，那就会在销毁p1的同时，调用p1的析构函数delete掉之前分配的内存空间；

1.2 std::weak_ptr

std::weak_ptr有什么特点呢？与std::shared_ptr最大的差别是在赋值的时候，不会引起智能指针计数增加。

weak_ptr被设计为与shared_ptr共同工作，可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。同样，在weak_ptr析构时也不会导致引用计数的减少，它只是一个静静地观察者。weak_ptr没有重载operator*和->，这是特意的，因为它不共享指针，不能操作资源，这是它弱的原因。如要操作资源，则必须使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象，从而操作资源。

1.2.1 std::shared_ptr相互引用会有什么后果

代码如下：

#include <memory>
#include <iostream>
class TestB;
class TestA
{
public:
    TestA()
    {
        std::cout << "TestA()" << std::endl;
    }
    void ReferTestB(std::shared_ptr<TestB> test_ptr)
    {
        m_TestB_Ptr = test_ptr;
    }
    ~TestA()
    {
        std::cout << "~TestA()" << std::endl;
    }
private:
    std::shared_ptr<TestB> m_TestB_Ptr; //TestB的智能指针
}; 
class TestB
{
public:
    TestB()
    {
        std::cout << "TestB()" << std::endl;
    }
    void ReferTestB(std::shared_ptr<TestA> test_ptr)
    {
        m_TestA_Ptr = test_ptr;
    }
    ~TestB()
    {
        std::cout << "~TestB()" << std::endl;
    }
    std::shared_ptr<TestA> m_TestA_Ptr; //TestA的智能指针
};
int main()
{
    std::shared_ptr<TestA> ptr_a = std::make_shared<TestA>();
    std::shared_ptr<TestB> ptr_b = std::make_shared<TestB>();
    ptr_a->ReferTestB(ptr_b);
    ptr_b->ReferTestB(ptr_a);
    return 0;
}

运行结果：

TestA()
TestB()

可以看到，上面代码中，我们创建了一个TestA和一个TestB的对象，但在整个main函数都运行完后，都没看到两个对象被析构，这是为什么呢？

原来，智能指针ptr_a中引用了ptr_b，同样ptr_b中也引用了ptr_a，在main函数退出前，ptr_a和ptr_b的引用计数均为2，退出main函数后，引用计数均变为1，也就是相互引用。

这等效于说：

• ptr_a对ptr_b说，哎，我说ptr_b，我现在的条件是，你先释放我，我才能释放你，这是天生的，造物者决定的，改不了；
• ptr_b也对ptr_a说，我的条件也是一样，你先释放我，我才能释放你，怎么办？

是吧，大家都没错，相互引用导致的问题就是释放条件的冲突，最终也可能导致内存泄漏。

1.2.2 std::weak_ptr如何解决相互引用的问题

我们在上面的代码基础上使用std::weak_ptr进行修改，如下：

#include <iostream>
#include <memory>
class TestB;
class TestA
{
public:
    TestA()
    {
        std::cout << "TestA()" << std::endl;
    }
    void ReferTestB(std::shared_ptr<TestB> test_ptr)
    {
        m_TestB_Ptr = test_ptr;
    }
    void TestWork()
    {
        std::cout << "~TestA::TestWork()" << std::endl;
    }
    ~TestA()
    {
        std::cout << "~TestA()" << std::endl;
    }
private:
    std::weak_ptr<TestB> m_TestB_Ptr;
};
class TestB
{
public:
    TestB()
    {
        std::cout << "TestB()" << std::endl;
    }
    void ReferTestB(std::shared_ptr<TestA> test_ptr)
    {
        m_TestA_Ptr = test_ptr;
    }
    void TestWork()
    {
        std::cout << "~TestB::TestWork()" << std::endl;
    }
    ~TestB()
    {
  ////把std::weak_ptr类型转换成std::shared_ptr类型
        std::shared_ptr<TestA> tmp = m_TestA_Ptr.lock();
        tmp->TestWork();
        std::cout << "2 ref a:" << tmp.use_count() << std::endl;
        std::cout << "~TestB()" << std::endl;
    }
    std::weak_ptr<TestA> m_TestA_Ptr;
};
int main()
{
    std::shared_ptr<TestA> ptr_a = std::make_shared<TestA>();
    std::shared_ptr<TestB> ptr_b = std::make_shared<TestB>();
    ptr_a->ReferTestB(ptr_b);
    ptr_b->ReferTestB(ptr_a);
    std::cout << "1 ref a:" << ptr_a.use_count() << std::endl;
    std::cout << "1 ref b:" << ptr_a.use_count() << std::endl;
    return 0;
}

运行结果：

TestA()
TestB()
1 ref a:1
1 ref b:1
~TestA::TestWork()
2 ref a:2
~TestB()
~TestA()

由以上代码运行结果我们可以看到：

• 所有的对象最后都能正常释放，不会存在上一个例子中的内存没有释放的问题;
• ptr_a和ptr_b在main函数中退出前，引用计数均为1，也就是说，在TestA和TestB中对std::weak_ptr的相互引用，不会导致计数的增加。在TestB析构函数中，调用std::shared_ptr<TestA> tmp = m_TestA_Ptr.lock()，把std::weak_ptr类型转换成std::shared_ptr类型，然后对TestA对象进行调用。

1.2.3 std::weak_ptr支持的调用

weak_ptr<T> w;    //空weak_ptr可以指向类型为T的对象
weak_ptr<T> w(shared_ptr sp);    //与sp指向相同对象的weak_ptr, T必须能转换为sp指向的类型
w = p;    //p可以是shared_ptr或者weak_ptr，赋值后w和p共享对象
w.reset();    //weak_ptr置为空
w.use_count();    //与w共享对象的shared_ptr的计数
w.expired();    //w.use_count()为0则返回true，否则返回false
w.lock();    //w.expired()为true，返回空的shared_ptr;否则返回指向w的shared_ptr

1.3 std::unique_ptr

uniqut_ptr是一种对资源具有排他性拥有权的智能指针，即一个对象资源只能同时被一个unique_ptr指向。

1.3.1 初始化方式

• 使用new

  T *pT = new T();
  std::unique_ptr<T> up1(pT);

• 通过make_unique

  auto pT = make_unique<T>();

• 通过move()函数

  //up也是一个std::unique_ptr<T>指针
  unique_ptr<T> up1 = std::move(up); 

1.3.2 unique_ptr不能被复制或者拷贝

unique_ptr<T> up(new T()); //ok
unique_ptr<T> up1(up); //error, can not be copy
unique_ptr<T> up2 = up; //error, can not be assigned

1.3.3 unique_ptr可以移动赋值或者移动拷贝

unique_ptr<T> pT(new T());
unique_ptr<T> pT2 = std::move(pT);    //移动赋值，此时pT被销毁，为空
unique_ptr<T> pT3(std::move(pt2)); //移动拷贝，此时pT2被销毁，为空

1.3.4 unique_ptr可以作为函数的返回值

unique_ptr<T> GetPtr(); //function getthe unique pointer
unique_ptr<T> pT = GetPtr(); // ok

1.3.5 使用范例

#include <iostream>
int main()
{
 std::unique_ptr<int> pInt;
 pInt.reset(new int());
 int *p = pInt.release(); //释放所有权
 //由于unique_ptr有std::unique_ptr<T[]>的重载函数，所以它可以用来管理数组资源
 std::unique_ptr<int[]> pArray(new int[3]{1,3,3}); 
}

2. 智能指针小结

可以看出，智能指针其实是std::shared_ptr和std::unique_ptr, std::shared_ptr可以有多个引用对象，但不能互相引用，而std::unique_ptr只能有一个引用，不能赋值或者拷贝，但可以移动赋值和移动拷贝，std::weak_ptr实际上是对std::shared_ptr的补充，它并不能对对象进行具体的操作。

注意：shared_ptr,weak_ptr,unique_ptr这些都是模板，并不是指针或者其他的。

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