C++11中智能指針的原理、使用、實現

 目錄

• • 理解智能指針的原理
  • 智能指針的使用
  • 智能指針的設計和實現

1.智能指針的作用

       C++程序設計中使用堆內存是非常頻繁的操作，堆內存的申請和釋放都由程序員自己管理。程序員自己管理堆內存可以提高了程序的效率，但是整體來說堆內存的管理是麻煩的，C++11中引入了智能指針的概念，方便管理堆內存。使用普通指針，容易造成堆內存泄露（忘記釋放），二次釋放，程序發生異常時內存泄露等問題等，使用智能指針能更好的管理堆內存。

理解智能指針需要從下面三個層次：

1. 從較淺的層面看，智能指針是利用了一種叫做RAII（資源獲取即初始化）的技術對普通的指針進行封裝，這使得智能指針實質是一個對象，行為表現的卻像一個指針。
2. 智能指針的作用是防止忘記調用delete釋放內存和程序異常的進入catch塊忘記釋放內存。另外指針的釋放時機也是非常有考究的，多次釋放同一個指針會造成程序崩潰，這些都可以通過智能指針來解決。
3. 智能指針還有一個作用是把值語義轉換成引用語義。C++和Java有一處最大的區別在於語義不同，在Java里面下列代碼：

　　Animal a = new Animal();

　　Animal b = a;

     你當然知道，這里其實只生成了一個對象，a和b僅僅是把持對象的引用而已。但在C++中不是這樣，

     Animal a;

     Animal b = a;

     這里卻是就是生成了兩個對象。

 　　　 關於值語言參考這篇文章http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html

2.智能指針的使用

智能指針在C++11版本之后提供，包含在頭文件<memory>中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr

2.1 shared_ptr的使用

shared_ptr多個指針指向相同的對象。shared_ptr使用引用計數，每一個shared_ptr的拷貝都指向相同的內存。每使用他一次，內部的引用計數加1，每析構一次，內部的引用計數減1，減為0時，自動刪除所指向的堆內存。shared_ptr內部的引用計數是線程安全的，但是對象的讀取需要加鎖。

• 初始化。智能指針是個模板類，可以指定類型，傳入指針通過構造函數初始化。也可以使用make_shared函數初始化。不能將指針直接賦值給一個智能指針，一個是類，一個是指針。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的寫法是錯誤的
• 拷貝和賦值。拷貝使得對象的引用計數增加1，賦值使得原對象引用計數減1，當計數為0時，自動釋放內存。后來指向的對象引用計數加1，指向后來的對象。
• get函數獲取原始指針
• 注意不要用一個原始指針初始化多個shared_ptr，否則會造成二次釋放同一內存
• 注意避免循環引用，shared_ptr的一個最大的陷阱是循環引用，循環，循環引用會導致堆內存無法正確釋放，導致內存泄漏。循環引用在weak_ptr中介紹。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    {
        int a = 10;
        std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a);
        std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //copy
        std::cout << ptra.use_count() << std::endl;

        int b = 20;
        int *pb = &a;
        //std::shared_ptr<int> ptrb = pb;  //error
        std::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);
        ptra2 = ptrb; //assign
        pb = ptrb.get(); //獲取原始指針

        std::cout << ptra.use_count() << std::endl;
        std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;
    }
}

2.2 unique_ptr的使用

　　unique_ptr“唯一”擁有其所指對象，同一時刻只能有一個unique_ptr指向給定對象（通過禁止拷貝語義、只有移動語義來實現）。相比與原始指針unique_ptr用於其RAII的特性，使得在出現異常的情況下，動態資源能得到釋放。unique_ptr指針本身的生命周期：從unique_ptr指針創建時開始，直到離開作用域。離開作用域時，若其指向對象，則將其所指對象銷毀(默認使用delete操作符，用戶可指定其他操作)。unique_ptr指針與其所指對象的關系：在智能指針生命周期內，可以改變智能指針所指對象，如創建智能指針時通過構造函數指定、通過reset方法重新指定、通過release方法釋放所有權、通過移動語義轉移所有權。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    {
        std::unique_ptr<int> uptr(new int(10));  //綁定動態對象
        //std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr;  //不能賦值
        //std::unique_ptr<int> uptr2(uptr);  //不能拷貝
        std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權
        uptr2.release(); //釋放所有權
    }
    //超過uptr的作用域，內存釋放
}

2.3 weak_ptr的使用

　　weak_ptr是為了配合shared_ptr而引入的一種智能指針，因為它不具有普通指針的行為，沒有重載operator*和->,它的最大作用在於協助shared_ptr工作，像旁觀者那樣觀測資源的使用情況。weak_ptr可以從一個shared_ptr或者另一個weak_ptr對象構造，獲得資源的觀測權。但weak_ptr沒有共享資源，它的構造不會引起指針引用計數的增加。使用weak_ptr的成員函數use_count()可以觀測資源的引用計數，另一個成員函數expired()的功能等價於use_count()==0,但更快，表示被觀測的資源(也就是shared_ptr的管理的資源)已經不復存在。weak_ptr可以使用一個非常重要的成員函數lock()從被觀測的shared_ptr獲得一個可用的shared_ptr對象， 從而操作資源。但當expired()==true的時候，lock()函數將返回一個存儲空指針的shared_ptr。

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    {
        std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
        std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;

        std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
        std::cout << wp.use_count() << std::endl;

        if(!wp.expired()){
            std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr
            *sh_ptr = 100;
            std::cout << wp.use_count() << std::endl;
        }
    }
    //delete memory
}

2.4 循環引用

考慮一個簡單的對象建模——家長與子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent。在Java 里邊很好寫，不用擔心內存泄漏，也不用擔心空懸指針，只要正確初始化myChild 和myParent，那么Java 程序員就不用擔心出現訪問錯誤。一個handle 是否有效，只需要判斷其是否non null。

public class Parent
{
　　private Child myChild;
}
public class Child
{
　　private Parent myParent;
}
在C++ 里邊就要為資源管理費一番腦筋。如果使用原始指針作為成員，Child和Parent由誰釋放？那么如何保證指針的有效性？如何防止出現空懸指針？這些問題是C++面向對象編程麻煩的問題，現在可以借助smart pointer把對象語義（pointer）轉變為值（value）語義，shared_ptr輕松解決生命周期的問題，不必擔心空懸指針。但是這個模型存在循環引用的問題，注意其中一個指針應該為weak_ptr。

原始指針的做法，容易出錯

#include <iostream>
#include <memory>

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    Child* myChild;
public:
    void setChild(Child* ch) {
        this->myChild = ch;
    }

    void doSomething() {
        if (this->myChild) {

        }
    }

    ~Parent() {
        delete myChild;
    }
};

class Child {
private:
    Parent* myParent;
public:
    void setPartent(Parent* p) {
        this->myParent = p;
    }
    void doSomething() {
        if (this->myParent) {

        }
    }
    ~Child() {
        delete myParent;
    }
};

int main() {
    {
        Parent* p = new Parent;
        Child* c =  new Child;
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        delete c;  //only delete one
    }
    return 0;
}

循環引用內存泄露的問題

#include <iostream>
#include <memory>

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
public:
    void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
        this->ChildPtr = child;
    }

    void doSomething() {
        if (this->ChildPtr.use_count()) {

        }
    }

    ~Parent() {
    }
};

class Child {
private:
    std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
    void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
        this->ParentPtr = parent;
    }
    void doSomething() {
        if (this->ParentPtr.use_count()) {

        }
    }
    ~Child() {
    }
};

int main() {
    std::weak_ptr<Parent> wpp;
    std::weak_ptr<Child> wpc;
    {
        std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        std::shared_ptr<Child> c(new Child);
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        wpp = p;
        wpc = c;
        std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
        std::cout << c.use_count() << std::endl; // 2
    }
    std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 1
    std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 1
    return 0;
}

正確的做法

#include <iostream>
#include <memory>

class Child;
class Parent;

class Parent {
private:
    //std::shared_ptr<Child> ChildPtr;
    std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
public:
    void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {
        this->ChildPtr = child;
    }

    void doSomething() {
        //new shared_ptr
        if (this->ChildPtr.lock()) {

        }
    }

    ~Parent() {
    }
};

class Child {
private:
    std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:
    void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {
        this->ParentPtr = parent;
    }
    void doSomething() {
        if (this->ParentPtr.use_count()) {

        }
    }
    ~Child() {
    }
};

int main() {
    std::weak_ptr<Parent> wpp;
    std::weak_ptr<Child> wpc;
    {
        std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);
        std::shared_ptr<Child> c(new Child);
        p->setChild(c);
        c->setPartent(p);
        wpp = p;
        wpc = c;
        std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2
        std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1
    }
    std::cout << wpp.use_count() << std::endl;  // 0
    std::cout << wpc.use_count() << std::endl;  // 0
    return 0;
}

3.智能指針的設計和實現

　　下面是一個簡單智能指針的demo。智能指針類將一個計數器與類指向的對象相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個對象共享同一指針。每次創建類的新對象時，初始化指針並將引用計數置為1；當對象作為另一對象的副本而創建時，拷貝構造函數拷貝指針並增加與之相應的引用計數；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左操作數所指對象的引用計數（如果引用計數為減至0，則刪除對象），並增加右操作數所指對象的引用計數；調用析構函數時，構造函數減少引用計數（如果引用計數減至0，則刪除基礎對象）。智能指針就是模擬指針動作的類。所有的智能指針都會重載 -> 和 * 操作符。智能指針還有許多其他功能，比較有用的是自動銷毀。這主要是利用棧對象的有限作用域以及臨時對象（有限作用域實現）析構函數釋放內存。

#include <iostream>
#include <memory>

template<typename T>
class SmartPointer {
private:
    T* _ptr;
    size_t* _count;
public:
    SmartPointer(T* ptr = nullptr) :
            _ptr(ptr) {
        if (_ptr) {
            _count = new size_t(1);
        } else {
            _count = new size_t(0);
        }
    }

    SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {
        if (this != &ptr) {
            this->_ptr = ptr._ptr;
            this->_count = ptr._count;
            (*this->_count)++;
        }
    }

    SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
        if (this->_ptr == ptr._ptr) {
            return *this;
        }

        if (this->_ptr) {
            (*this->_count)--;
            if (this->_count == 0) {
                delete this->_ptr;
                delete this->_count;
            }
        }

        this->_ptr = ptr._ptr;
        this->_count = ptr._count;
        (*this->_count)++;
        return *this;
    }

    T& operator*() {
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return *(this->_ptr);

    }

    T* operator->() {
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return this->_ptr;
    }

    ~SmartPointer() {
        (*this->_count)--;
        if (*this->_count == 0) {
            delete this->_ptr;
            delete this->_count;
        }
    }

    size_t use_count(){
        return *this->_count;
    }
};

int main() {
    {
        SmartPointer<int> sp(new int(10));
        SmartPointer<int> sp2(sp);
        SmartPointer<int> sp3(new int(20));
        sp2 = sp3;
        std::cout << sp.use_count() << std::endl;
        std::cout << sp3.use_count() << std::endl;
    }
    //delete operator
}

參考：

1. 值語義：http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/08/16/2141515.html
2. shared_ptr使用：http://www.cnblogs.com/jiayayao/archive/2016/12/03/6128877.html
3. unique_ptr使用：http://blog.csdn.net/pi9nc/article/details/12227887
4. weak_ptr的使用：http://blog.csdn.net/mmzsyx/article/details/8090849
5. weak_ptr解決循環引用的問題：http://blog.csdn.net/shanno/article/details/7363480
6. C++面試題（四）——智能指針的原理和實現