智能指针（C++）

#欲速则不达#2024-02-29 10:52

目录

一、智能指针是什么

二、为什么需要智能指针

三、智能指针的使用和原理

3.1、RALL

[3.2 智能指针的原理](#3.2 智能指针的原理)

3.3、智能指针的分类

3.3.1、auto_ptr

3.3.2、unique_ptr

3.3.3、shared_ptr

3.2.4、weak_ptr

一、智能指针是什么

在c++中，动态内存的管理式通过一对运算符来完成的：new,在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针，我们可以选择对对象进行初始化；delete，接受一个动态对象的指针，销毁该对象，并释放与之关联的内存。动态内存的使用很容易出现问题，因为确保在正确的时间释放内存是极其困难的。有时使用完对象后，忘记释放内存，造成内存泄漏的问题。

所谓的智能指针本质就是一个类模板，它可以创建任意的类型的指针对象，当智能指针对象使用完后，对象就会自动调用析构函数去释放该指针所指向的空间。

下面是智能指针的基本框架，所有的智能指针类模板中都需要包含一个指针对象 ，构造函数 和析构函数。

二、为什么需要智能指针

异常的重新抛出的场景：

cpp 复制代码 
void File()
{
	string filename;
	cin >> filename;
	FILE* fout = fopen(filename.c_str(), "r");
	if (fout == nullptr) {
		string errmsg = "打开文件失败：";
		errmsg += filename;
		errmsg += "->";
		errmsg += strerror(errno);
		Exception e(errno, errmsg);
		throw e;
	}
	char ch;
	while ((ch = fgetc(fout))!=EOF) {
		cout << ch;
	}
	fclose(fout);
}

double Division(int a, int b)
{
	if (b == 0) 
	{
		string errmsg = "Division by zero condition!";
		Exception e(100, errmsg);
		throw e;
	}
	else
	{
		return ((double)a / (double)b);
	}
}

void Func()
{
	int* p = new int[100];
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	try {
		cout << Division(len,time) << endl;
		File();
	}
	catch (...)
	{
		//捕获之后，不是要处理异常，异常由最外层同一处理
		//这里捕获异常只是为了处理内存泄漏的问题
		delete[]p;
		throw; 
	}
	delete[]p;
}

int main()
{

	try {
		Func();
	}
	catch (const Exception& e) {
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

在Func函数中，我们在堆上创建了开一个指针，为了防止函数抛出异常导致最后的析构函数不执行而产生野指针，我们使用了 异常的重新抛出策略。

但是，终究不是个好的方法，如果这类资源较多，那么我们需要大量的 异常重抛 ，而且就算程序不涉及程序处理，大量的堆上空间需要人工释放，容易造成疏漏，这一问题在工程中比较常见。

所以，这时候如果我们实用智能指针，就可以不用再操心内存是否会泄露的问题。

三、智能指针的使用和原理

3.1、RALL

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. 不需要显式的释放资源
  2. 采用这种方式，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效.

我们可以借助RALL思想来写一个简单的 智能指针：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
class SmartPtr
{
public:
	SmartPtr(T* ptr =nullptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr()
	{
		if (_ptr)delete _ptr;
		cout<<"~SmartPtr"<<endl;
	}
private:
	T* _ptr;
};

int main()
{
	int* a = new int(1);
	SmartPtr<int> sp(a); //将a 指针委托给sp对象管理

	SmartPtr<int>sp2(new int(2)); //直接船舰匿名对象给sp2管理
}

3.2****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。

cpp 复制代码 
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。

3.3、智能指针的分类

上面的SmartPtr 还不可以被称为智能指针，因为它还不具有指针的行为与性质。

指针可以解引用，也可以通过->去访问所指向的空间中的内容，因此智能指针还需要将 *,->重载。

除此之外，如果我们使用了 拷贝或者赋值操作，就会发生浅拷贝的问题，由于二者指向同一块空间，所以在析构的时候也会析构两次，造成错误。

所以，为了解决以上问题，C++提供了几种设计方案实现的智能指针。

C++中存在4种智能指针：auto_ptr,unquie_ptr,shared_ptr,weak_ptr，他们各有优缺点，以及对应的实用场景

3.3.1、auto_ptr

在C++98版本的库种，提供了 auto_ptr 的智能指针：

cpp 复制代码 
class Date
{
public:
	Date()
		:_year(0),_month(0),_day(0)
	{}
	~Date(){}

	int _year;
	int _month;
	int _day;

};

int main()
{
	auto_ptr<Date>ap(new Date);

	//拷贝构造
	auto_ptr<Date>copy(ap);
	
	ap->_year = 2022;
}

我们发现报错了，发生了非法访问。

这就是auto_ptr 的弊病，当我们使用对象拷贝或者赋值之后，之前的那个对象就被置空（如下图）

在拷贝或者赋值的过程种，auto_ptr 会传递所有权，将资源全部从源指针转移给目标指针，源指针被置空。

虽然这种方法确实解决了 浅拷贝的问题，但是十分局限性也很大，这也就导致了，我们使用auto_ptr的时候要注意，不要对源指针进行访问或者操作。

由于C++98种提供的这个智能指针问题明显，所以在实际工作种哼多公司是明确规定了不能使用auto_ptr的。

auto_ptr具体实现：

cpp 复制代码 
template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr=nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		
		auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
			:_ptr(ap._ptr)
		{
			ap._ptr = nullptr; //管理权转移
		}

		auto_ptr<T>& operator = (auto_ptr<T>& ap)
		{
			if (this != *ap) {
				delete _ptr;
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}

		~SmartPtr()
		{
			if (_ptr)delete _ptr;
		}
		T& operator *()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator ->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};

3.3.2、unique_ptr

在C++11中，C++11y引入了unique_ptr.

unique_ptr的原理很简单，就是一个"得不到就毁掉"的理念，直接把拷贝和赋值禁止了。

对于用不上赋值拷贝的场景的时候，我们选择unique_ptr也是一个不错的选择。

cpp 复制代码 
template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
		{}

		//防拷贝
		unique_ptr(unique_ptr<T>& ap) = delete;
		unique_ptr<T>& operator = (unique_ptr<T>& ap) = delete;

		~SmartPtr()
		{
			if (_ptr)delete _ptr;
		}

		T& operator *()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator ->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};

3.3.3、shared_ptr

C++中还提供了shared_ptr。

shared_ptr 是当前最为广泛使用的智能指针，它可以安全的提供拷贝操作。

shared_ptr的原理：

我们可以对一个资源添加一个计数器，让所有管理该资源的智能共用这个计数器，倘若发生拷贝，计数器加一，倘若有析构发生， 计数器减一，当计数器等于0的时候，就把对象析构掉。

  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(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。

shared_ptr 的模拟实现

cpp 复制代码 
template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T*ptr =nullptr)
			:_ptr(ptr),_pcount(new int(1))
		{}
		//拷贝构造
		shared_ptr(const T& sp)
			_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount)
		{
			++(*_pcount);
		}
		//赋值拷贝
		shared_ptr<T>& operator = (shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr) {
				if (--(*_pcount) == 0){
					delete _pcount;
					delete _ptr;
				}
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				++(*_pcount);
			}
			return *this;
		}
		T& operator *()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator ->()
		{
			return _ptr;
		}


		~shared_ptr()
		{
			if (--(*_pcount) == 0 && _ptr) {
				delete _pcount;
				delete _ptr;
			}
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
	};

我们把 这个 计数器 建在堆上，这样就可以保证各个对象之间保持同步同时计数正确。

拷贝构造

赋值拷贝

赋值拷贝需要注意两点：

  1. 在被赋值之前的对象需要将自己析构，也就是放弃当前资源的管理权，然后再去被赋值，取得新的管理权。
  2. 避免自己对自己赋值，按照1中的机制，如果自己对自己赋值，会造成无谓的操作，或者误析构资源。

另一种写法：

cpp 复制代码 
		shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T> sp)
		{
			swap(_ptr, sp._ptr);
			swap(_pcount, sp._pcount);
			return *this;
		}

但是，此时我们的shared_ptr 还面临着 线程安全的问题。

这里我们需要保障的是对于 计数器的 ++ 和 -- 造成的线程不安全。对于资源的线程安全问题，这不是智能指针保证的部分

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr), _pcount(new int(1)), _pmtx(new mutex)
		{}

		void add_ref()
		{
			_pmtx->lock();
			++(*_pcount);
			_pmtx->unlock();
		}
		void release_ref()
		{
			bool flag = false;
			_pmtx->lock();
			if (--(*_pcount) == 0 && _ptr) {
				delete _pcount;
				delete _ptr;
				flag = true;
				cout << "释放资源：" << _ptr << endl;
			}
			_pmtx->unlock();
			if (flag)delete _pmtx;
		}

		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount),_pmtx(sp._pmtx)
		{
			add_ref();
		}
		shared_ptr<T>& operator = (const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr) {
				if (--(*_pcount) == 0){
					delete _pcount;
					delete _ptr;
				}
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				add_ref();
			}
			return *this;
		}
		T& operator *()
		{
			return *_ptr;
		}

		T* operator ->()
		{
			return _ptr;
		}

		T* get()
		{
			return _ptr;
		}
		int use_count()
		{
			return *_pcount;
		}


		~shared_ptr()
		{
			release_ref();
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
		mutex* _pmtx;
	};

定制删除器

不管是我们自己实现的shared_ptr还是库中的shared_ptr,我们在析构的时候默认都是 delete _ptr,如果我们托管的类型是 new T[] ,或者 malloc出来的话，就导致类型不是匹配的，无法析构。

为此，shared_ptr提供了 定制删除器，我们可以在构造的时候作为参数传入。如果我们不传参，就默认使用delete

这个自定义删除器可以是函数指针 ，仿函数 ，lamber,包装器。

仿函数的删除器

shared_ptr中的析构函数会去调用DelArry仿函数去释放动态数组。

3.2.4、weak_ptr

虽然 shared_ptr 确实已经是一个不错的设计了，但是没有"十全十美"的东西，在一些特别的场景之下shared_ptr 也无能为力：

shared_ptr 的循环引用

我们看下面的场景，我们运行发现，两个节点n1.n2 都没有析构。

在出了作用域之后，首先把 n1,n2 两个对象析构，此时两边计数器均减为1，那么左边节点资源什么时候析构呢, 当n2->prev析构，也就是当右边节点资源析构，那么右边节点资源什么时候析构呢，当n1->_next析构，也就是当左边节点资源析构...我们发现，此时形成了一个类似于"死锁"的情况。

此时我们就要使用 weak_ptr 来解决 循环引用

weak_ptr是一个弱引用，它是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，是为了解决循环引用而生的，为什么这么说呢，我们可以看看它的构造函数：

我们只能使用 wek_ptr或者 shared_ptr 去初始化它。

我们在会产生循环引用的位置，把shared_ptr换成weak_ptr。 weak_ptr 不是一个RALL智能指针，它不参与资源的管理，他是专门用来解决引用计数的，我们可以使用一个shared_ptr 来初始化一个weak_ptr,但是weak_ptr 不增加引用计数，不参与管理，但是也像指针一样访问修改资源。

实现一个weak_ptr

cpp 复制代码 
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
			:_ptr(nullptr)
		{}
		weak_ptr(shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get()),_pcount(sp.use_count())
		{}
		weak_ptr(weak_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr), _pcount(sp._pcount)
		{}
		weak_ptr& operator = (shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();
			_pcount = sp.use_count();
			return *this;
		}
		weak_ptr& operator = (weak_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp._ptr;
			_pcount = sp._pcount;
			return *this;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		int use_count()
		{
			return *_pcount;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;

	};
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