【C++】智能指针：auto_ptr、unique_ptr、share_ptr、weak_ptr（技术介绍 + 代码实现）（待更新）

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0. 概述

智能指针，智能在哪儿？

• 使用了模板类，建立的是 智能指针对象，自动调用智能指针类型的构造和析构函数。也就是说，对于动态开辟的空间如果用智能指针保存，就不需要手动释放啦，极大程度降低了内存泄漏的风险。
  • 这样利用对象生命周期进行程序资源控制的技术就是 RAII。
• 对 * 和 -> 的重载，使 智能指针对象 具有指针的行为能力，能让用户像使用指针一样的使用。

RAII 的介绍

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

• 不需要显式地释放资源；
• 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

四个智能指针的特点：

我把四个智能指针的特点介绍在前面，你若还有什么细节问题再去具体的栏目下翻找吧~

• auto_ptr：管理权转移，通过拷贝构造函数和赋值重载函数来实现。
  • 原对象拷贝给新对象的时候，原对象就会被设置为nullptr，此时就只有新对象指向一块资源空间。
  • 会出现指针悬空问题。
• unique_ptr：禁用拷贝构造和赋值构造
  • unique_ptr(unique_ptr&) = delete;
  • operator=(unique_ptr&) = delete;
• share_ptr：引用计数
  • 计数的对象在堆上，所有线程都能访问，因此需要锁保证其安全性
  • 会出现循环引用的问题
• weak_ptr：弱关联性
  • weak_ptr 类的对象它可以指向 shared_ptr，并且不会改变 shared_ptr 的引用计数

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1. auto_ptr（C++98）

核心功能：管理权转移

管理权转移的同时也会导致 原指针悬空，容易造成野指针问题，不推荐使用。

🐎核心功能的简单实现

namespace ttang
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 无力吐槽的神拷贝...// 管理权转移：导致的是原来的指针悬空，很多公司明令禁止使用 auto_ptrauto_ptr(auto_ptr<T>& ap):_ptr(ap._ptr){ap._ptr = nullptr;}T* operator=(auto_ptr<T>& ap){T* tmp = ap._ptr;ap._ptr = nullptr;return tmp;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
--------------------------------------------------void test_auto(){auto_ptr<int> ap1(new int(1));auto_ptr<int> ap2(ap1);*ap1 = 1; // err...管理权转移以后导致ap1悬空，不能访问*ap2 = 1;}
}

2. unique_ptr（C++11）

核心功能：防拷贝（= delete 声明拷贝构造和复制重载）

unique_ptr 的指针，简单粗暴，是防了拷贝，不过也只解决了不需要拷贝的场景。
（ps：从 boost 里面吸收来的）
（pps：需要拷贝的场景就需要使用到接下来会介绍的 shared_ptr 和 weak_ptr 了）

🐎核心功能的简单实现

namespace ttang
{template<class T>class unique_ptr{private:T* _ptr;public:unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}~unique_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}// C++11思路：设置不许再实现了，语法直接支持的（不需要私有了）unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;	// 严格来说赋值也封了更好一点// C++98思路：只声明不实现，但是用的人可能会在外面强行定义，所以再加一条，声明为私有//private:// unique_ptr(const unique_ptr<T>& up);// unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up);};
--------------------------------------------------void test_unique(){unique_ptr<int> up1(new int(1));unique_ptr<int> up2(up1);	// err...}
}

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3. shared_ptr（C++11）

核心功能：引用计数

之前在一开始的概述部分介绍了两个智能指针为什么智能的原因，走到了 shared_ptr，我们的智能指针就真的更神了，他甚至还引申出 智能指针三大件 的说法：

• RAII
• 想指针一样使用
• 可以拷贝（浅拷贝！！）

他可以对同一个对象拷贝的同时，还可以在最后一个智能指针使用完毕后调用其析构函数，使用的是引用计数的技术。

在具体对 shared_ptr 实现之前，对于这里的 引用计数，可以稍微探讨一下：

1）如果要使用引用计数，设置一个静态变量 count 行不行呢？不行，因为静态变量属于所有对象。而 每实例化一个对象都可能多有个资源，每个资源应该配对一个引用计数。

2）如果是多个线程去调用引用计数，还需要保证其线程安全，那就加个锁吧。

3）计数加锁后，shared_ptr 本身就会是线程安全的，但是他生成的对象不是线程安全的。

🐎核心功能的简单实现

namespace ttang
{template<class T>class shared_ptr{private:T* _ptr;int* _pcount;mutex* _pmtx;								// 锁也得是指针，因为是多个指针指向同一把锁function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {		// 解决对 deletor 的保存问题，需要一个缺省的！！cout << "lambda delete:" << ptr << endl;delete ptr;};public:shared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr), _pcount(new int(1))	// 每个资源都分配一个引用计数count, _pmtx(new mutex)		// 每个资源都有一把锁，保证自己资源计数安全{}// 定制删除器（通过仿函数实现的！--是可调用对象，所以我们拿的一个function定义_del）template<class D>shared_ptr(T* ptr, D del): _ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _pmtx(new mutex), _del(del){}~shared_ptr(){Release();}void Release(){_pmtx->lock();bool deleteFlag = false;if (--(*_pcount) == 0){if (_ptr){//cout << "delete:" << _ptr << endl;//delete _ptr;_del(_ptr);			// 如果_del 不给缺省的话，这里默认的构造可能会出问题}delete _pcount;deleteFlag = true;// delete _pmtx;  锁也要释放的呀，可以下面又要解锁。如何解决？}_pmtx->unlock();if (deleteFlag){delete _pmtx;}}void AddCount(){_pmtx->lock();++(*_pcount);_pmtx->unlock();}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount), _pmtx(sp._pmtx){AddCount();}// 正常赋值：// sp1 = sp4;					被赋值sp1的肯定要--，sp4要++// 自己给自己赋值：// sp1 = sp1;					自己给自己	// sp1 = sp2;（管理同样资源）	也是自己给自己	if(&sp != this)不得行哦，防不了这一种shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr){Release();_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;_pmtx = sp._pmtx;AddCount();}return *this;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get(){return _ptr;}int use_count(){return *_pcount;}};
}

// 跟库里不一样，简易版的蛤template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr():_ptr(nullptr){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp.get()){}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get(){return _ptr;}private:T* _ptr;};void test_shared(){shared_ptr<int> sp1(new int(1));shared_ptr<int> sp2(sp1);shared_ptr<int> sp3(sp2);shared_ptr<int> sp4(new int(10));//sp1 = sp4;sp4 = sp1;sp1 = sp1;sp1 = sp2;}// 多线程的问题！！！！！！！struct Date{int _year = 0;int _month = 0;int _day = 0;};// shared_ptr本身是线程安全的，因为计数是加锁保护// shared_ptr管理的对象是否是线程安全？不是void SharePtrFunc(ttang::shared_ptr<Date>& sp, size_t n, mutex& mtx){//cout << sp.get() << endl;//cout << &sp << endl;for (size_t i = 0; i < n; ++i){// 这里智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。ttang::shared_ptr<Date> copy(sp);mtx.lock();sp->_year++;sp->_day++;sp->_month++;mtx.unlock();}}void test_shared_safe(){ttang::shared_ptr<Date> p(new Date);cout << p.get() << endl;const size_t n = 10000;mutex mtx;thread t1(SharePtrFunc, ref(p), n, ref(mtx));	// 线程中以引用传递对象参数，必须加一个ref()，是一个库函数，否则会认为是传值传参会报错。thread t2(SharePtrFunc, ref(p), n, ref(mtx));	// 13 底下可以检测，19 是直接报错//cout << &p << endl;	t1.join();t2.join();cout << p.use_count() << endl;cout << p->_year << endl;cout << p->_month << endl;cout << p->_day << endl;}// 循环引用的问题！！！！！！！struct ListNode{/*ListNode* _next;ListNode* _prev;*///ttang::shared_ptr<ListNode> _next;//ttang::shared_ptr<ListNode> _prev;ttang::weak_ptr<ListNode> _next;		// weak_ptr解决循环引用的问题，他可以指向资源，但是他不参与管理，不增加应用计数ttang::weak_ptr<ListNode> _prev;int _val;~ListNode(){cout << "~ListNode()" << endl;}};// 循环引用场景：// 有智能指针 n1 和 n2 指向结构体，里面包含的智能指针又相互指了！！出现闭环，导致_count无法到0无法析构！！// 循环引用--》内存泄漏// 主要原理：成员的生命周期，取决于对象的生命周期，对象的生命周期结束则成员调用析构函数，成员源于被另一个智能指针管理，无法释放，形成闭环。void test_shared_cycle(){/*ListNode* n1 = new ListNode;ListNode* n2 = new ListNode;n1->_next = n2;n2->_prev = n1;		// 会出现抛异常未释放的情况，所以我们现在并不推荐这么写！// 那怎么写呢？--》智能指针~delete n1;delete n2;*/ttang::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);	// std 里面只能这样显示的调构造ttang::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;n1->_next = n2;		// 链接的时候，智能指针（n2）怎么赋值给原生指针（_next）呢？把ListNode里的指针改成智能指针就好了！n2->_prev = n1;	cout << n1.use_count() << endl;cout << n2.use_count() << endl;}// weak_ptr// 1、他不是常规的智能指针，不支持RAII// 2、支持像指针一样// 3、专门设计出来，辅助解决shared_ptr的循环引用问题//    weak_ptr可以指向资源，但是他不参与管理，不增加引用计数//  定制删除器 -- 可调用对象template<class T>struct DeleteArray{void operator()(T* ptr){cout << "void operator()(T* ptr)" << endl;delete[] ptr;}};//void test_shared_deletor()//{//	std::shared_ptr<Date> spa1(new Date[10], DeleteArray<Date>());//	std::shared_ptr<Date> spa2(new Date[10], [](Date* ptr){//		cout << "lambda delete[]"<<ptr << endl;//		delete[] ptr; //	});//	std::shared_ptr<FILE> spF3(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr){//		cout << "lambda fclose" << ptr << endl;//		fclose(ptr);//	});//}void test_shared_deletor(){ttang::shared_ptr<Date> sp0(new Date);ttang::shared_ptr<Date> spa1(new Date[10], DeleteArray<Date>());ttang::shared_ptr<Date> spa2(new Date[10], [](Date* ptr) {cout << "lambda delete[]:" << ptr << endl;delete[] ptr;});ttang::shared_ptr<FILE> spF3(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {cout << "lambda fclose:" << ptr << endl;fclose(ptr);});}
}// 智能指针的个间区别 unique、share、weak