C++进阶篇8---智能指针

一、引言

为什么需要智能指针？

在上一篇异常中，关于内存释放，我们提到过一个问题---当我们申请资源之后，由于异常的执行，代码可能直接跳过资源的释放语句到达catch，从而造成内存的泄露，对于这种情况，我们当时的解决方案是在抛出异常后，我们先对异常进行捕获，将资源释放，再将异常抛出，但这样做会使得代码变得很冗长，那有没有什么办法能让它自动释放内存资源呢？用智能指针

什么是智能指针？

说到自动释放资源，是不是有点熟悉，我们在学习创建类对象时，就知道当类对象的生命周期结束后，系统会自动调用它的析构函数，完成资源的释放，那么我将指针放入这样一个类对象中，将释放资源的工作交给析构函数，只要该对象生命周期结束，那么就释放该资源，如此就不用在关心资源的释放问题，只要函数栈帧销毁，即该对象被销毁，资源就会自动释放，这就叫智能指针。

智能指针的使用和原理

1.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

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

2.具有指针的行为，可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容

下面写一个简单的智能指针

namespace zxws
{template<class T>class smart_ptr{public:smart_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}~smart_ptr(){cout << "delete _ptr" << endl;delete _ptr;_ptr = nullptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

但是上面这个智能指针有个严重的问题，一旦有两个对象同时指向同一个资源，那么析构函数就会被调用两次，即资源要被释放两次，会报错，如下

二、库中的智能指针

C++官方给出了3个智能指针

1.auto_ptr

auto_ptr：管理权转移的思想，即一个资源只能有一个指针能对它进行管理，其他的指向这一资源的指针均为空，实现如下

namespace zxws
{template<class T>class auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}//管理权限的转移auto_ptr(const auto_ptr& tmp):_ptr(tmp._ptr){tmp._ptr = nullptr;}auto_ptr& operator=(const auto_ptr& tmp){if (this != &tmp)//注意自己给自己赋值的情况不需要处理，否则会出问题{if (_ptr)//释放当前对象中资源delete _ptr;//管理权限转移_ptr = tmp._ptr;tmp._ptr = nullptr;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){delete _ptr;_ptr = nullptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

2.unique_ptr

unique_ptr：简单粗暴的防拷贝，即一个指针只能被初始化一次，且只能用不同的资源初始化

实现如下

namespace zxws
{template<class T>class unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr){}//将拷贝构造和赋值重载直接ban掉unique_ptr(const unique_ptr& tmp) = delete;unique_ptr& operator=(const unique_ptr& tmp) = delete;~unique_ptr(){if (_ptr){delete _ptr;_ptr = nullptr;}}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

3.shared_ptr

shared_ptr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

具体原理如下

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。

实现如下

namespace zxws
{	template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr),_pcount(new int(1)){}shared_ptr(const shared_ptr& tmp):_ptr(tmp._ptr),_pcount(tmp._pcount){(*_pcount)++;}shared_ptr& operator=(const shared_ptr& tmp){//这里注意自己给自己赋值的情况！！！//当引用计数为1时，就会出现将资源释放后，在赋值的尴尬情况//用this!=&tmp也没用，可能出现两个不同对象指向同一块资源的情况//所以用资源的地址来判断最准确if (_ptr != tmp._ptr){release();_ptr = tmp._ptr;_pcount = tmp._pcount;(*_pcount)++;}return *this;}void release(){if (--(*_pcount)==0){delete _ptr;delete _pcount;_pcount = nullptr;_ptr = nullptr;}}~shared_ptr(){release();}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get() const{return _ptr;}int use_count() const{return *_pcount;}private:T* _ptr;int* _pcount;};
}

那么引用计数，为什么要用指针开辟的空间，而不是成员变量或者静态成员变量？

1、如果是成员变量，那么每一个shared_ptr对象都会有一个_pcount

2、如果是静态成员变量，那么_pcount将属于一个类

两者都不能满足我们的需求

关于shared_ptr还存在一个循环引用的问题，场景如下

当我们将循环链表的两个结点连接起来的时候，就不会释放结点空间，但是只要有一条边没链接就都能释放，为什么？？？

而只连接一条边，这个闭环就不复存在，所以两个结点都能释放，那如何解决这种情况？

针对这种情况，C++官方设计出了weak_ptr来和shared_ptr搭配使用，也就是说weak_ptr不增加shared_ptr的引用计数，且不参与资源的释放

实现如下

namespace zxws
{	template<class T>class weak_ptr{public:weak_ptr():_ptr(nullptr){}weak_ptr(const shared_ptr<T>& tmp):_ptr(tmp.get()){}weak_ptr& operator=(const shared_ptr<T>& tmp){_ptr = tmp.get();return *this;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

（上面三个智能指针的模拟实现是被简化过的，功能不全，但是核心就是这些）

其中auto_ptr这个智能指针基本不用

上面写的三个智能指针还有一个缺陷，就是释放资源的delete写死了，如果我们开的是一个数组，就需要用delete[]，否则资源的释放就会出现问题，所以就需要我们定制化它们的释放资源的方式，根据前面的知识，我们可以给它传一个释放资源的仿函数，如下

template<class T>
struct Destroy {void operator()(T*_ptr){delete[] _ptr;}
};
template<class T, class D>
class shared_ptr
{//....
};
shared_ptr<int, Destroy<int>>p;

但是库中只写了一个模板参数

我们如果想实现和库中一样的效果，该怎么写？

既然传模板参数不行，我们只能传函数对象了，用function包装器和lambda表达式实现如下

namespace zxws
{template<class T>class shared_ptr{public:shared_ptr(T* ptr = nullptr):_ptr(ptr),_pcount(new int(1)){}shared_ptr(T* ptr,function<void(T*)> del):_ptr(ptr),_pcount(new int(1)),_del(del){}shared_ptr(const shared_ptr& tmp):_ptr(tmp._ptr),_pcount(tmp._pcount),_del(tmp._del){(*_pcount)++;}shared_ptr& operator=(const shared_ptr& tmp){//这里注意自己给自己赋值的情况！！！//当引用计数为1时，就会出现将资源释放后，在赋值的尴尬情况//用this!=&tmp也没用，可能出现两个不同对象指向同一块资源的情况//所以用资源的地址来判断最准确if (_ptr != tmp._ptr){release();_ptr = tmp._ptr;_pcount = tmp._pcount;_del = tmp._del;(*_pcount)++;}return *this;}void release(){if (--(*_pcount)==0){_del(_ptr);delete _pcount;_ptr = nullptr;_pcount = nullptr;}}~shared_ptr(){release();}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T* get() const{return _ptr;}int use_count() const{return *_pcount;}private:T* _ptr;int* _pcount;function<void(T*)>_del = [](T* ptr) {delete ptr; };};
}