c++系列——智能指针

1.智能指针的使用及原理

1.1 RAII

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：

1.不需要显式地释放资源。

2.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。

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if(_ptr)delete _ptr;}private:T* _ptr;
};
int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
void Func()
{ShardPtr<int> sp1(new int);ShardPtr<int> sp2(new int);cout << div() << endl;
}
int main()
{try {Func();}catch(const exception& e){cout<<e.what()<<endl;}return 0;
}

1.2 智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可 以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其 像指针一样去使用。 

template<class T>
class SmartPtr {
public:
SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}
~SmartPtr(){if(_ptr)delete _ptr;}
T& operator*() {return *_ptr;}
T* operator->() {return _ptr;}
private:
T* _ptr;
};
struct Date
{int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{
SmartPtr<int> sp1(new int);
*sp1 = 10
cout<<*sp1<<endl;
SmartPtr<int> sparray(new Date);
// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;
// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->
sparray->_year = 2018;
sparray->_month = 1;
sparray->_day = 1;
}

总结一下智能指针的原理：

1. RAII特性

2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为

1.3 std::auto_ptr 

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。 auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现了一份bit::auto_ptr来了解它的原理

// C++98 管理权转移 auto_ptr
namespace bit
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr){// 管理权转移sp._ptr = nullptr;}auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap){// 检测是否为自己给自己赋值if (this != &ap){// 释放当前对象中资源if (_ptr)delete _ptr;// 转移ap中资源到当前对象中_ptr = ap._ptr;ap._ptr = NULL;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;
}}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}
// 结论：auto_ptr是一个失败设计，很多公司明确要求不能使用auto_ptr
//int main()
//{
// std::auto_ptr<int> sp1(new int);
// std::auto_ptr<int> sp2(sp1); // 管理权转移
//
// // sp1悬空
// *sp2 = 10;
// cout << *sp2 << endl;
// cout << *sp1 << endl;
// return 0;
//}

1.4 std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr 

unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原 理 

// C++11库才更新智能指针实现
// C++11出来之前，boost搞除了更好用的scoped_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// C++11将boost库中智能指针精华部分吸收了过来
// C++11->unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr
// unique_ptr/scoped_ptr
// 原理：简单粗暴 -- 防拷贝
namespace bit
{template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}~unique_ptr()
{if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp) = delete;unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;private:T* _ptr;};
}
//int main()
//{
// /*bit::unique_ptr<int> sp1(new int);
// bit::unique_ptr<int> sp2(sp1);*/
//
// std::unique_ptr<int> sp1(new int);
// //std::unique_ptr<int> sp2(sp1);
//
// return 0;
//}

1.5 std::shared_ptr 

C++11中开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr

shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。

1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共 享。

2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减 一。

3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源 

4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

// 引用计数支持多个拷贝管理同一个资源，最后一个析构对象释放资源
namespace bit
{template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr), _pRefCount(new int(1)), _pmtx(new mutex){}shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp._ptr), _pRefCount(sp._pRefCount), _pmtx(sp._pmtx){AddRef();}void Release(){_pmtx->lock();bool flag = false;if (--(*_pRefCount) == 0 && _ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;delete _pRefCount;flag = true;}_pmtx->unlock();if (flag == true){delete _pmtx;}}void AddRef(){_pmtx->lock();++(*_pRefCount);_pmtx->unlock();}shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){//if (this != &sp)if (_ptr != sp._ptr){Release();
_ptr = sp._ptr;_pRefCount = sp._pRefCount;_pmtx = sp._pmtx;AddRef();}return *this;}int use_count(){return *_pRefCount;}~shared_ptr(){Release();}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get() const{return _ptr;}private:T* _ptr;int* _pRefCount;mutex* _pmtx;};// 简化版本的weak_ptr实现template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr():_ptr(nullptr){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp):_ptr(sp.get()){}weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp){_ptr = sp.get();return *this;
}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

shared_ptr智能指针是线程安全的吗？

 是的，引用计数的加减是加锁保护的。但是指向资源不是线程安全的

 指向堆上资源的线程安全问题是访问的人处理的，智能指针不管，也管不了

 引用计数的线程安全问题，是智能指针要处理的 

std::shared_ptr的线程安全问题通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时 ++或--，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错 乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、--是需要加锁 的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。

2. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。 

 

2.C++11和boost中智能指针的关系

C++11和boost中智能指针的关系

1. C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.

2. C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.

3. C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。

4. C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost 的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。