C++新特性：智能指针

一 、为什么需要智能指针

智能指针主要解决以下问题：
1）内存泄漏：内存手动释放，使用智能指针可以自动释放

2）共享所有权指针的传播和释放，比如多线程使用同一个对象时析构问题，例如同样的数据帧，但是业务A和业务B处理的逻辑不一样（都是只读）。可以用shared_ptr共享数据帧对象的所有权。线程A释放的时候，shared_ptr的引用计数count - 1，当为0的时候释放数据帧对象指针。

主要类型：
C++里面的四个智能指针: auto_ptr，shared_ptr，unique_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。

几个指针的特点：
1）unique_ptr：独占对象的所有权，由于没有引用计数，因此性能较好。
2）shared_ptr：共享对象的所有权，但性能略差。
3）weak_ptr：配合shared_ptr，解决循环引用的问题。

二、shared_ptr 共享的智能指针

2.1 内存模型

shared_ptr 内部包含两个指针，一个指向对象，另一个指向控制块(control block)，控制块中包含一个引用计数(reference count), 一个弱计数(weak count)和其它一些数据。

例如对于

std::shared_ptr<int> p1(new int(1));
std::shared_ptr<int> p2 = p1;

std::shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。再最后一个shared_ptr析构的时候，内存才会被释放。

shared_ptr共享被管理对象，同一时刻可以有多个shared_ptr拥有对象的所有权，当最后一个shared_ptr对象销毁时，被管理对象自动销毁。

2.2 常用函数

s.get()			// 返回shared_ptr中保存的裸指针；
s.reset(...)	// 重置shared_ptr
s.use_count() 	// 返回shared_ptr的强引用计数；
s.unique() 		// use_count()为1，返回true，否则返回false。

reset( )不带参数时，若智能指针s是唯一指向该对象的指针，则释放，并置空。若智能指针P不是唯一指向该对象的指针，则引用计数减少1，同时将P置空。

reset( )带参数时，若智能指针s是唯一指向对象的指针，则释放并指向新的对象。若P不是唯一的指针，则只减少引用计数，并指向新的对象。

2.3 初始化

通过构造函数、reset()、make_shared方法来初始化shared_ptr，代码如下：

std::shared_ptr<int> p1(new int(1));
std::shared_ptr<int> p2 = p1;// 对于一个未初始化的智能指针，可以通过reset方法来初始化
// 当智能指针有值的时候调用reset会引起引用计数减1
std::shared_ptr<int> p3;
p3.reset(new int(1));
if(p3) {
cout << "p3 is not null";
}

我们应该优先使用make_shared来构造智能指针，因为他更高效。

auto sp1 = make_shared<int>(100);
或
shared_ptr<int> sp1 = make_shared<int>(100);
//相当于
shared_ptr<int> sp1(new shared_ptr<int> sp1(new int(100)););

这是因为为了节省一次内存分配，原来 shared_ptr<Foo> x(new Foo); 需要为 Foo 和 ref_count 各分配一次内存，现在用make_shared()的话，可以一次分配一块足够大的内存，供 Foo 和 ref_count 对象容身。

但是注意，不能将一个原始指针直接赋值给一个智能指针，例如，下面这种方法是错误的：

std::shared_ptr<int> p = new int(1);

正确的操作是通过构造函数和辅助方法来初始化

std::shared_ptr<int> p;
p1.reset(new int(1));

例子：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;int main()
{std::shared_ptr<int> p1;p1.reset(new int(1));std::shared_ptr<int> p2 = p1;// 引用计数此时应该是2cout << "p2.use_count() = " << p2.use_count() << endl;p1.reset();cout << "p1.reset()\n";// 引用计数此时应该是2cout << "p2.use_count()= " << p2.use_count() << endl;if (!p1){cout << "p1 is empty\n";}if (!p2){cout << "p2 is empty\n";}p2.reset();cout << "p2.reset()\n";cout << "p2.use_count()= " << p2.use_count() << endl;if (!p2){cout << "p2 is empty\n";}return 0;
}

结果是

p2.use_count() = 2
p1.reset()
p2.use_count()= 1
p1 is empty
p2.reset()
p2.use_count()= 0
p2 is empty

2.4 获取原始指针get

当需要获取原始指针时，可以通过get方法来返回原始指针，代码如下所示：

std::shared_ptr<int> ptr(new int(1));
int *p = ptr.get();

谨慎使用p.get()的返回值，因为很容易出错且难以排查。

p.get()的返回值就相当于一个裸指针的值，不合适的使用这个值，上述陷阱的所有错误都有可能发生，遵守以下几个约定：

1）不要保存p.get()的返回值 ，无论是保存为裸指针还是shared_ptr都是错误的。
若保存为裸指针不知什么时候就会变成空悬指针，若保存为shared_ptr则产生了独立指针

2）不要delete p.get()的返回值 ，会导致对一块内存delete两次的错误。

2.5 指定删除器

如果用shared_ptr管理非new对象或是没有析构函数的类时，应当为其传递合适的删除器。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
void DeleteIntPtr(int *p) {cout << "call DeleteIntPtr" << endl;delete p;
}
int main()
{std::shared_ptr<int> p(new int(1), DeleteIntPtr);return 0;
}

当p的引用计数为0时，自动调用删除器DeleteIntPtr来释放对象的内存。删除器可以是一个lambda表达式，上面的写法可以改为：

std::shared_ptr<int> p(new int(1), [](int *p) {cout << "call lambda delete p" << endl;delete p;});

特别的是，当我们用shared_ptr管理动态数组时，需要指定删除器，因为shared_ptr的默认删除器不支持数组对象，代码如下所示：

std::shared_ptr<int> p(new int[10], [](int *p) { delete [] p;});

2.6 使用shared_ptr要注意的问题

1、不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr
例如下面错误范例：

int *ptr = new int;
shared_ptr<int> p1(ptr);
shared_ptr<int> p2(ptr); // 逻辑错误

2、不要在函数实参中创建shared_ptr
对于下面的写法：

function(shared_ptr<int>(new int), g()); //有缺陷

因为C++的函数参数的计算顺序在不同的编译器不同的约定下可能是不一样的，一般是从右到左，但也可能从左到右，所以，可能的过程是先new int，然后调用g()，如果恰好g()发生异常，而shared_ptr还没有创建， 则int内存泄漏了，正确的写法应该是先创建智能指针，代码如下：

shared_ptr<int> p(new int);
function(p, g());

3、通过shared_from_this()返回this指针
不要将this指针作为shared_ptr返回出来，因为this指针本质上是一个裸指针，因此，这样可能会导致重复析构，看下面的例子。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class A
{
public:shared_ptr<A> GetSelf(){return shared_ptr<A>(this); // 不要这么做}A(){cout<<"Construction A"<<endl;}~A(){cout << "Destructor A:"<<this << endl;}
};
int main()
{shared_ptr<A> sp1(new A);shared_ptr<A> sp2 = sp1->GetSelf();cout<<"sp1.use_count() = "<<sp1.use_count()<<endl;cout<<"sp2.use_count() = "<<sp2.use_count()<<endl;return 0;
}

运行后调用了两次析构函数。

Construction A
sp1.use_count() = 1
sp2.use_count() = 1
Destructor A:0x1024000
Destructor A:0x1024000

在这个例子中，由于用同一个指针（this) 构造了两个智能指针sp1和sp2，而他们之间是没有任何关系的，即指向各自的 control block，但是指向对象都是new int。因此 在离开作用域之后this将会被构造的两个智能指针各自析构，导致重复析构的错误。

正确返回this的shared_ptr的做法是：让目标类通过std::enable_shared_from_this类，然后使用基类的成员函数shared_from_this()来返回this的shared_ptr，如下所示。

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;class A: public std::enable_shared_from_this<A>
{
public:shared_ptr<A>GetSelf(){return shared_from_this(); //}A(){cout<<"Construction A"<<endl;}~A(){cout << "Destructor A" << endl;}
};
int main()
{shared_ptr<A> sp1(new A);shared_ptr<A> sp2 = sp1->GetSelf();  // okcout<<"sp1.use_count() = "<<sp1.use_count()<<endl;cout<<"sp2.use_count() = "<<sp2.use_count()<<endl;return 0;
}

结果是

Construction A
sp1.use_count() = 2
sp2.use_count() = 2
Destructor A

4、避免循环引用
循环引用会导致内存泄漏

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class A;
class B;
class A {
public:std::shared_ptr<B> bptr;~A() {cout << "A is deleted" << endl;}
};
class B {
public:std::shared_ptr<A> aptr;~B() {cout << "B is deleted" << endl;}
};
int main()
{{std::shared_ptr<A> ap(new A);std::shared_ptr<B> bp(new B);ap->bptr = bp;bp->aptr = ap;}cout<< "main leave" << endl;  // 循环引用导致ap bp退出了作用域都没有析构return 0;
}

循环引用导致ap和bp的引用计数为2，在离开作用域之后，ap和bp的引用计数减为1，并不回减为0，导致两个指针都不会被析构，产生内存泄漏。

解决的办法是把A和B任何一个成员变量改为weak_ptr，具体方法见weak_ptr章节。

三、unique_ptr独占的智能指针

3.1 unique_ptr是一个独占型的智能指针

unique_ptr是一个独占型的智能指针，它不允许其他的智能指针共享其内部的指针，不允许通过赋值将
一个unique_ptr赋值给另一个unique_ptr。下面的错误示例。

unique_ptr<T> my_ptr(new T);
unique_ptr<T> my_other_ptr = my_ptr;  // 报错，不能复制

unique_ptr不允许复制，但可以通过函数返回给其他的unique_ptr，还可以通过·std::move·来转移到其他的unique_ptr，这样它本身就不再拥有原来指针的所有权了。例如

unique_ptr<T> my_ptr(new T); // 正确
unique_ptr<T> my_other_ptr = std::move(my_ptr); // 正确
unique_ptr<T> ptr = my_ptr;  // 报错，不能复制

std::make_shared是c++11的一部分，但std::make_unique不是。它是在c++14里加入标准库的。

auto upw1(std::make_unique<Widget>());   // with make func
std::unique_ptr<Widget> upw2(new Widget); // without make func

3.2 unique_ptr可以指向一个数组

std::unique_ptr<int []> ptr(new int[10]);
ptr[9] = 9;
std::shared_ptr<int []> ptr2(new int[10]);  // 这个是不合法的

3.3 unique_ptr需要确定删除器的类型

unique_ptr需要确定删除器的类型，所以不能像shared_ptr那样直接指定删除器

std::shared_ptr<int> ptr3(new int(1), [](int *p){delete  p;}); // 正确
std::unique_ptr<int> ptr4(new int(1), [](int *p){delete  p;}); // 错误

关于shared_ptr和unique_ptr的使用场景是要根据实际应用需求来选择。

如果希望只有一个智能指针管理资源或者管理数组就用unique_ptr，如果希望多个智能指针管理同一个资源就用shared_ptr。

四、weak_ptr弱引用的智能指针

shared_ptr虽然已经很好用了，但是有一点shared_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。

4.1 基本用法

1）通过use_count()方法获取当前观察资源的引用计数，如下所示：

shared_ptr<int> sp(new int(10));
weak_ptr<int> wp(sp);
cout << wp.use_count() << endl;  //结果讲输出1

2）通过expired()方法判断所观察资源是否已经释放，如下所示

shared_ptr<int> sp(new int(10));
weak_ptr<int> wp(sp);
if(wp.expired())cout << "weak_ptr无效,资源已释放";
elsecout << "weak_ptr有效";

3）通过lock方法获取监视的shared_ptr

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;std::weak_ptr<int> gw;
void f()
{auto spt = gw.lock();		if(gw.expired()) {cout << "gw无效,资源已释放";}else {cout << "gw有效, *spt = " << *spt << endl;}
}
int main()
{{auto sp  = std::make_shared<int>(42);gw = sp;f();}f();
return 0;
}

结果是

gw有效, *spt = 42
gw无效,资源已释放

4.2 返回this指针

shared_ptr章节中提到不能直接将this指针返回shared_ptr，需要通过派生std::enable_shared_from_this类，并通过其方法shared_from_this来返回指针.
原因是std::enable_shared_from_this类中有一个weak_ptr，这个weak_ptr用来观察this智能指针。调用shared_from_this()方法，会调用内部这个weak_ptr的lock()方法，将所观察的shared_ptr返回

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;class A: public std::enable_shared_from_this<A>
{
public:shared_ptr<A>GetSelf(){return shared_from_this(); //}A(){cout<<"Construction A"<<endl;}~A(){cout << "Destructor A" << endl;}
};
int main()
{shared_ptr<A> sp1(new A);shared_ptr<A> sp2 = sp1->GetSelf();  // okcout<<"sp1.use_count() = "<<sp1.use_count()<<endl;cout<<"sp2.use_count() = "<<sp2.use_count()<<endl;return 0;
}

结果是

Construction A
sp1.use_count() = 2
sp2.use_count() = 2
Destructor A

在外面创建A对象的智能指针和通过对象返回this的智能指针都是安全的，因为shared_from_this()是内部的weak_ptr调用lock()方法之后返回的智能指针，在离开作用域之后，sp1的引用计数减为0，A对象会被析构，不会出现A对象被析构两次的问题。

需要注意的是，获取自身智能指针的函数尽在shared_ptr的构造函数被调用之后才能使用，因为enable_shared_from_this内部的weak_ptr只有通过shared_ptr才能构造。

需要注意的是，获取自身智能指针的函数尽在shared_ptr的构造函数被调用之后才能使用，因为enable_shared_from_this内部的weak_ptr只有通过shared_ptr才能构造。

4.3 解决循环引用问题

在shared_ptr章节提到智能指针循环引用的问题，因为智能指针的循环引用会导致内存泄漏，可以通过weak_ptr解决该问题，只要将A或B的任意一个成员变量改为weak_ptr

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class A;
class B;
class A {
public:std::weak_ptr<B> bptr;~A() {cout << "A is deleted" << endl;}
};
class B {
public:std::shared_ptr<A> aptr;~B() {cout << "B is deleted" << endl;}
};
int main()
{{std::shared_ptr<A> ap(new A);cout<< "ap.use_count():"<< ap.use_count()<<endl;std::shared_ptr<B> bp(new B);cout<< "bp.use_count():"<<bp.use_count()<<endl;cout<<"===================="<<endl;ap->bptr = bp;cout<< "ap.use_count():"<<ap.use_count()<<endl;cout<< "bp.use_count():"<<bp.use_count()<<endl;cout<<"===================="<<endl;bp->aptr = ap;cout<< "ap.use_count():"<<ap.use_count()<<endl;cout<< "bp.use_count():"<<bp.use_count()<<endl;}cout<< "main leave" << endl;  // 循环引用导致ap bp退出了作用域都没有析构return 0;
}

ap.use_count():1
bp.use_count():1
====================
ap.use_count():1
bp.use_count():1
====================
ap.use_count():2
bp.use_count():1
B is deleted
A is deleted
main leave

这样在对B的成员赋值时，即执行ap->bptr = bp;;时，由于bptr是weak_ptr，它并不会增加引用计数，所以bp的引用计数仍然会是1。
在离开作用域之后，bp的引用计数为减为0，B指针会被析构，析构后其内部的aptr的引用计数会被减为1，然后在离开作用域后ap引用计数又从1减为0，A对象也被析构，不会发生内存泄漏.

4.4 使用注意事项

1、weak_ptr在使用前需要检查合法性。

weak_ptr<int> wp;
{shared_ptr<int>  sp(new int(1));  //sp.use_count()==1wp = sp; //wp不会改变引用计数，所以sp.use_count()==1shared_ptr<int> sp_ok = wp.lock(); //wp没有重载->操作符。只能这样取所指向的对象
}
shared_ptr<int> sp_null = wp.lock(); //sp_null .use_count()==0;

因为上述代码中sp和sp_ok离开了作用域，其容纳的对象已经被释放了，得到了一个容纳NULL指针的sp_null对象。

在使用wp前需要调用wp.expired()函数判断一下。因为wp还仍旧存在，虽然引用计数等于0，仍有某处“全局”性的存储块保存着这个计数信息。直到最后一个weak_ptr对象被析构，这块“堆”存储块才能被回收。否则weak_ptr无法指导自己所容纳的那个指针资源的当前状态。

weak_ptr<int> wp;
shared_ptr<int> sp_ok;
{shared_ptr<int>  sp(new int(1));  //sp.use_count()==1wp = sp; //wp不会改变引用计数，所以sp.use_count()==1sp_ok = wp.lock(); //wp没有重载->操作符。只能这样取所指向的对象
}
// 在这个作用域结束后，sp 和其所管理的内存将会被销毁，因为 sp 的引用计数变为 0，触发内存释放。
if(wp.expired()) {cout << "shared_ptr is destroy" << endl;
} else {cout << "shared_ptr no destroy" << endl;
}

shared_ptr no destroy

在作用域内，创建了一个新的shared_ptr对象sp并将其所有权转交给wp，然后通过调用wp.lock()方法从wp中获取了shared_ptr的所有权。由于wp仍然有效，所以输出结果为"shared_ptr no destroy"。当作用域结束时，sp所管理的int对象会被销毁，但这并不影响wp的有效性。

五、为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁？

为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁？

本专栏知识点是通过<零声教育>的系统学习，进行梳理总结写下文章，对c/c++linux课程感兴趣的读者，可以点击链接,详细查看详细的服务器课程