智能指针详解

智能指针原理

RAII

Unique_ptr

Shared_ptr

Shared_ptr缺点

定制删除器

在C++库里提供的智能指针有跟多，如下图所示，使用时需要包含头文件<memory>。下面将详细介绍这些智能指针的底层原理和缺点，还有每个智能指针的应用场景。

智能指针原理

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。这种做法的好处在于：

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。

智能指针的思想就是上述RAII的技术。智能指针雏形就相当于把一个指针存储在一个类中，当这个类的生命周期结束时，会调用它的析构函数，在析构函数中我们去释放这个指针所指向的空间，这样就避免了我们new了空间忘记delete。

在这个类内，我们可以进行运算符重载，把operator*、operator->、operator[]都重载上，这样才实现了一个完整的指针的效果。

上述这些指针的使用效果都很容易实现，最难的部分是智能指针的拷贝，如果我们拷贝了一个智能指针，这两个智能指针会管理同块区域，当两个智能指针析构时，会调用两次析构函数，也就是释放两次空间，正常情况下这样是会报错的。

在C++98版本的auto_ptr底层为了实现智能指针的拷贝构造，它会把被拷贝的智能指针的管理权转移到拷贝的智能指针，原智能指针置空。如下图所示：

显然，C++98这个设计是失败的，被拷贝的智能指针（上图sp1）被置空了，不能再次使用。

所以在C++11的智能指针（unique_ptr）进行了优化。在unique_ptr中直接明确规定不允许拷贝构造，这在auto_ptr中是没有规定的。

Unique_ptr

Unique_prt的定义中直接规定了没有拷贝构造，同理也没有赋值重载。

使用unique_ptr创建数组指针时，模板传参也必须是：类型[]，要不然编译器只会析构一次，不会析构整个数组（数组要析构多次）shared_ptr使用方法也一样。

unique_ptr没有不允许拷贝，这也是有缺陷的，一个能正常使用的指针就是可以进行拷贝的，后续在share_ptr中对此进行了优化

Shared_ptr

Shared_ptr允许拷贝构造和赋值重载。它在底层加入一个引用计数，即当有几个智能指针同时指向这个空间时，引用计数便是几。在析构时，先减少引用计数，直到引用计数为1时，才调用delete去释放空间。所以shared_ptr有一个函数，名为：use_count可以返回引用计数是多少。

也是因为Shared_ptr允许赋值重载，所以有有一种新的方法来创建智能指针（unique_ptr和auto_ptr都没有）

Shared_ptr缺点

Shared_ptr不支持循环引用，循环引用是指，我（p1）的成员中有智能指针指向（管理）你(p2)，你（p2）的成员中有智能指针指向（管理）我，这样会使我（p1）和你（p2）的引用计数都变成2，在析构的时候就和相互影响，导致析构失败，出现内存泄漏，具体情况如下图所示：

为了解决shared_ptr的缺陷，C++有新加入了一个智能指针weak_ptr，但weak_ptr本质上不算智能指针，它不支持RAII，不能单独管理资源（引用计数不增加），它专门来解决上述shared_ptr的循环引用。

将类内的成员智能指针改为weak_ptr就可以正常使用了（外面还是share_ptr）

weakl_ptr的底层解决方法就是，当我们对智能指针循环引用时，不增加内部的引用计数。

Weak_ptr还有一个特殊的成员函数，expired，这个成员函数能够返回它指向的资源是否还存在（有没有被释放）。返回1代表资源已经被释放，0则相反。

定制删除器

当我们使用shared_ptr去封装指针时，由于share_ptr的析构函数默认调用的是delete函数，所以只能对new和new[]成立，对于其他情况开辟的空间，比如以下两种情况：malloc和fopen，shared_ptr原本自带的析构函数，都不能很好的释放空间，甚至对于fopen甚至会报错，这时我们就需要针对不同的指针情况定制删除器。