Modern C++ 智能指针

Why？

原始指针存在缺陷，不符合现代编程语言的需要。
原始指针的缺陷：

• 指针指向一片内存，使用者无法得知到底是指向了什么，是数组还是对象？
• 使用完指针是否需要销毁？什么时候销毁？如何进行销毁？并没有一个统一的定论。
  • 如果一个指针指向的地址没有被释放指针就被销毁了，会内存泄漏；
  • 如果指针指向的内存已经被释放了，指针没有被销毁，会产生悬空指针；
  • 如果指针指向的内存已经被释放，在销毁该指针时，又释放了一回，会二次释放，未定义行为，程序崩溃。
  • 如果指针指向了一个数组，使用了delete而非delete[]进行释放，会产生未定义行为，后果未知。

总之，原始指针过于简陋，虽然强大，但是需要考虑的太多了，对菜鸡不友好。
智能指针（smart pointers）是解决这些问题的一种办法。智能指针包裹原始指针，它们的行为看起来像被包裹的原始指针，但避免了原始指针的很多陷阱。

What

在C++11的智能指针之前，C++98中，智能指针通过一个模板类型auto_ptr来实现。auto_ptr以对象的方式管理堆分配的内存，并在适当的时间（比如析构）​，释放所获得的堆内存。
但是auto_ptr存在一些问题，在C++17中该方式已经被废弃。

在C++11中存在四种智能指针：std::auto_ptr，std::unique_ptr，std::shared_ptr， std::weak_ptr。都是被设计用来帮助管理动态对象的生命周期，在适当的时间通过适当的方式来销毁对象，以避免出现资源泄露或者异常行为。std::auto_ptr在C++17中已经弃用，尽量不要用，除非要与C++98代码兼容。

std::unique_ptr

指针独享它所指向的对象，在指针销毁时，对象一同被释放。

#include <iostream>
#include <memory>class Test {public:Test() :number(0) {std::cout << "Test()" << std::endl;}~Test() {std::cout << "~Test()" << std::endl;}int getNumber() {return number;}private:int number;
};void print(std::unique_ptr<Test> ptr) {std::cout << ptr.get()->getNumber() << std::endl;}
void print1(std::unique_ptr<Test> &ptr) {std::cout << ptr.get()->getNumber() << std::endl;
}
int main() {Test t; //不会内存泄漏，局部变量离开作用域会自动调用析构函数Test *t1 = new Test(); //会内存泄漏，new出来的对象存储在堆上，需要手动deleteTest *t2 = new Test();std::unique_ptr<Test> ptr1(t2); //不会内存泄漏，unique_ptr会自动调用析构函数std::unique_ptr<Test> ptr(new Test()); //不会内存泄漏，unique_ptr会自动调用析构函数std::unique_ptr<Test> ptr2 = std::make_unique<Test>(); //C++14引入的std::make_unique，更加安全std::cout << ptr1.get()->getNumber() << std::endl; //使用时需要通过get()获取指针，然后就跟正常指针一样了print(std::move(ptr)); //传递时需要使用std::move，因为unique_ptr是不可拷贝的print1(ptr1); //传递时需要使用引用，因为unique_ptr是不可拷贝的return 0;
}

因为只有一个智能指针指向对象，所以unique_ptr智能指针的赋值函数，拷贝构造函数，都被禁用了，构造函数添加了explicit关键字修饰，不能使用转换函数，即：不能隐式转换构造unique_ptr指针，

原因也很好理解，如果有一个原始指针ptr，如果允许进行隐式转换构造，那么就可以根据这个原始指针隐式构造出来多个unique_ptr，这就不符合一个独享的原则了。

想要将unique_ptr转移，要么使用引用，要么使用std::move进行移动。
std::unique_ptr的常见用法是作为继承层次结构中对象的工厂函数返回类型。

std::shared_ptr

共享指针，允许多个指针指向同一个对象，当最后一个shared_ptr被销毁时自动进行内存释放。std::shared_ptr通过引用计数（reference count）来确保它是否是最后一个指向某种资源的指针，引用计数关联资源并跟踪有多少std::shared_ptr指向该资源。
引用计数会对性能有一定影响：

• std::shared_ptr大小是原始指针的两倍，因为它内部包含一个指向资源的原始指针，还包含一个指向资源的控制块的原始指针。

  • 控制块的大小和位置都是不确定的，没有一个明确的规定非要放在哪里，有可能放到堆上面。
  • 

• 递增递减引用计数必须是原子性的，因为多个reader、writer可能在不同的线程。比如，指向某种资源的std::shared_ptr可能在一个线程执行析构（于是递减指向的对象的引用计数），在另一个不同的线程，std::shared_ptr指向相同的对象，但是执行的却是拷贝操作（因此递增了同一个引用计数）。原子操作通常比非原子操作要慢，所以即使引用计数通常只有一个word大小，你也应该假定读写它们是存在开销的。

shared_ptr和unique_ptr都支持自定义销毁器(仿函数或者匿名函数)，不同的是unique_ptr把销毁器也看作指针类型的一部分，而shared_ptr不会，因此shared_ptr有更高的灵活性：

auto loggingDel = [](Widget *pw)        //自定义删除器{                     //（和条款18一样）makeLogEntry(pw);delete pw;};std::unique_ptr<                        //删除器类型是Widget, decltype(loggingDel)        //指针类型的一部分> upw(new Widget, loggingDel);
std::shared_ptr<Widget>                 //删除器类型不是spw(new Widget, loggingDel);        //指针类型的一部分

不了解仿函数和匿名函数的可以看之前的这篇文章：Modern C++：函数的发展：从函数指针到匿名函数

当创造一个新的shared_ptr指针时，我们是不知道是否有其他的shared_ptr的，自然也就不知道是否有与该对象对应的control block，因此控制块的创建有以下规则：

• 使用make_shared时，会创建控制块，因为make_shared是在创建一个新的对象。
• 将unique_ptr转化为shared_ptr时会创建控制块，因为unique_ptr指向的对象不需要控制块，转为shared_ptr需要新建控制块，并将原来的unique_ptr置为null
• 使用已有shared_ptr构造新的shared_ptr时不会新建控制块。
• 使用原始指针创建shared_ptr时，会产生未定义行为，因为我们无法从原始指针得知指向的对象是否已经有了控制块。

#include <iostream>
#include <memory>class Test {public:Test() :number(0) {std::cout << "Test()" << std::endl;}~Test() {std::cout << "~Test()" << std::endl;}int getNumber() {return number;}private:int number;
};int main(){std::shared_ptr<Test> ptr1 = std::make_shared<Test>(); //最推荐的初始化方式std::shared_ptr<Test> ptr2(new Test()); //也不是不可以std::shared_ptr<Test> ptr3 = ptr1; //shared_ptr可以拷贝Test *t = new Test();std::shared_ptr<Test> ptr4(t); //shared_ptr可以接受裸指针,但是会导致未定义行为，不推荐std::unique_ptr<Test> ptr5 = std::make_unique<Test>();std::shared_ptr<Test> ptr6 = std::move(ptr5); //unique_ptr可以转换为shared_ptr,原来的unique_ptr会变成nullptrstd::cout << "Unique ptr has been moved:" << ptr5.get() << std::endl;std::cout << ptr1.get()->getNumber() << std::endl;}

std::weak_ptr

在C++11标准中，除了unique_ptr和shared_ptr，智能指针还包括了weak_ptr这个类模板。weak_ptr的使用更为复杂一点，它可以指向shared_ptr指针指向的对象内存，却并不拥有该内存。而使用weak_ptr成员lock，则可返回其指向内存的一个shared_ptr对象，且在所指对象内存已经无效时，返回指针空值（nullptr，请参见7.1节）​。这在验证share_ptr智能指针的有效性上会很有作用.

• std::weak_ptr的潜在使用场景包括：缓存、观察者列表、打破std::shared_ptr环状结构。
  • shared_ptr环状结构：即存在两个对象，互相持有对方的智能指针，如果使用shared_ptr，会因为相互持有，导致无法释放，内存泄漏。

#include <iostream>
#include <memory>class Test {public:Test() :number(0) {std::cout << "Test()" << std::endl;}~Test() {std::cout << "~Test()" << std::endl;}int getNumber() {return number;}private:int number;
};int main(){std::shared_ptr<Test> ptr1 = std::make_shared<Test>();std::weak_ptr<Test> ptr2 = ptr1; //weak_ptr是shared_ptr的弱引用，不会增加引用计数if(!ptr2.expired()) { //判断weak_ptr是否指向了有效对象std::shared_ptr<Test> ptr3 = ptr2.lock(); //通过weak_ptr获取shared_ptrstd::cout << ptr3.get()->getNumber() << std::endl;}else{std::cout << "ptr2 is expired" << std::endl;}return 0;
}

但是在考虑多线程时，有可能判断过weak_ptr的有效性后在另一个线程中对指向的对象进行了析构，所以更常见的做法是：

int main(){
int main(){std::shared_ptr<Test> ptr1 = std::make_shared<Test>();std::weak_ptr<Test> ptr2 = ptr1; //weak_ptr是shared_ptr的弱引用，不会增加引用计数std::shared_ptr<Test> ptr3 = ptr2.lock(); //通过weak_ptr获取shared_ptrif(ptr3) { //判断weak_ptr是否指向了有效对象std::cout << ptr3.get()->getNumber() << std::endl;}else{std::cout << "ptr2 is expired" << std::endl;}ptr1.reset(); //释放shared_ptrptr3.reset();//或者try{ std::shared_ptr<Test> ptr4(ptr2); //如果已经析构，会抛出bad_weak_ptr异常}catch(const std::exception& e){std::cerr << e.what() << '\n';}return 0;
}
}

使用建议

• 如果不确定要使用哪种智能指针好，优先选用unique_ptr，性能和原始指针差不多，且从unique_ptr升级成shared_ptr很容易，反之不行。
• 创建智能指针时，尽量使用make_xxx，如果不行再使用new，实在不行最后才选择使用原始指针，但是shared_ptr不要使用原始指针，会导致未定义行为。

参考文献：
《Effective Modern C++》
《深入理解C++11：C++11新特性解析与应用》