智能指針的原理和實現

1.智能指針的作用

C++程序設計中需要頻繁地動態分配堆內存，堆內存的申請和釋放都由程序員管理。程序員管理堆內存提高了程序的效率，但是整體來說堆內存的管理非常麻煩，且容易造成動態分配的堆內存沒有正確釋放或無法釋放，導致資源浪費，程序運行速度變慢等問題。為了解決這些問題C++11提出了智能指針的概念，方便管理內存。

使用普通指針容易造成內存泄漏、二次釋放、程序發生異常時內存泄漏等問題，使用智能指針可以更好地管理堆內存。

理解智能指針從以下三個方面入手：

1.智能指針是利用了一種叫做RAII（資源分配即初始化）的概念堆普通指針進行封裝，這使得智能指針實質上是一個類對象，但表現得卻像一個指針。

2.智能指針的作用是防止調用delete釋放內存或者程序異常進入catch塊忘記釋放內存，同時多次釋放同一指針會導致程序崩潰。

3.智能指針可以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。

二：智能指針的使用

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

2.1shared_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，每使用它一次，內部的引用計數加一，每析構一次，內部的引用計數減1，減為0時，自動釋放所指向的堆內存。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：智能指針是一個模板類，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。不能將指針直接復制給一個智能指針，因為一個是類，一個是指針
• 拷貝和賦值。拷貝使得對象的引用計數加1，賦值使得原對象的引用計數減一，當引用計數為0時，自動釋放內存。后來指向的對象的引用計數加1，指向后來的對象
• get函數獲取原始指針
• 不要用一個原始指針初始化多個shared_ptr,會造成二次釋放同一內存。

  #include <iostream>
  #include<memory>
  using namespace std;
  
  
  int main()
  {
  	int a = 1;
  	shared_ptr<int>ptr1 = make_shared<int>(a);
  	shared_ptr<int>ptr2(ptr1);//copy
  
  	cout << ptr1.use_count() << endl;
  	cout << ptr2.use_count() << endl;
  
  	int b = 20;
  	int* pb = &a;
  	//shared_ptr<int>ptrb = pb;//error不允許直接將指針賦值給類
  	shared_ptr<int>ptrb = make_shared<int>(b);
  	ptr2 = ptrb;//賦值
  	cout << ptr1.use_count() << endl;
  	cout << ptrb.use_count() << endl;
          pb = ptrb.get();//獲取原始指針
  　　
  	system("pause");
  	return 0;
  
  }
  

  2.2 unique_ptr的使用

unique_ptr唯一擁有其所指對象，同一時刻只有一個unique_ptr指向給定對象（禁止賦值和拷貝，直接賦值會編譯出錯，只有通過移動語義來實現）。unique_ptr指針的生命周期：從unique_ptr創建開始，直到離開作用域。離開作用域時，若其指向對象，則將其所指向對象銷毀（默認使用delete操作符）。unique_ptr指針其所指對象的關系：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。

int main()
{
    unique_ptr<int>uptr(new int(10));//傳入指針，調用構造函數
    //unique_ptr<int>uptr2 = uptr;//不能賦值
    //unique_ptr<int>uptr3 (uptr);//不能拷貝
    unique_ptr<int>uptr3 = move(uptr);//轉移所有權，移動語義
}

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，因為它不具備普通指針的行為，沒有重載operator*和->,它最大作用在於協助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構造，獲得資源的觀測勸，不增加引用計數，沒有共享資源。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（shared_ptr管理的資源）已經不存在了。weak_ptr可以用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。當expired()==true時，lock函數將返回一個存儲空指針的shared_ptr。

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，增加了引用計數
            *sh_ptr = 100;
            std::cout << wp.use_count() << std::endl;
            std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;
        }
    }
    //delete memory
        system("pause");
        return 0;
}

三：智能指針的實現

https://www.cnblogs.com/wxquare/p/4759020.html