【C++】12.智能指针

在上一篇博客【C++】11.异常中我们知道有些时候会造成内存空间的未释放从而导致内存泄漏，因此本篇博客的内容就是如何减少内存泄漏------智能指针。

一、RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源 的简单技术，因此又被称为资源获取即初始化 ；

本质上就是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：

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。

下面这段程序就是使用RAII思想构造的智能指针的底板：

cpp 复制代码

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

二、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：SmartPtr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;
};

三、智能指针的发展

3.1 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auto_ptr来了解它的原理，并不建议使用

cpp 复制代码

namespace caryon
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) {}
		auto_ptr(auto_ptr& ap):_ptr(ap._ptr)
		{
			ap._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr& operator=(auto_ptr& ap)
		{
			if(_ptr!=ap._ptr)
			{
				if(_ptr=nullptr)
					delete _ptr;

				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = nullptr;
			}
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			if (_ptr)
				delete _ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

3.2 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unique_ptr来了解它的原理

cpp 复制代码

namespace caryon
{
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) {}
		unique_ptr(unique_ptr& ap) = delete;
		unique_ptr& operator=(unique_ptr& ap) = delete;
		~unique_ptr()
		{
			if (_ptr)
				delete _ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

3.3 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

shared_ptr在其内部，给每个资源都维护着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
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。
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；
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。

cpp 复制代码

namespace caryon
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr) 
			:_ptr(ptr),
			_pcount(new int(1)) 
		{}
		shared_ptr(shared_ptr& sp):_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount)
		{
			(*_pcount)++;
		}
		shared_ptr& operator=(shared_ptr& sp)
		{
			if(_ptr!=sp._ptr)
			{
				~shared_ptr();
				shared_ptr(sp);
			}
			return *this;
		}
		~shared_ptr()
		{
			--(*_pcount);
			if (*_pcount==0)
			{
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
	};
}

循环引用

cpp 复制代码

struct ListNode
{
	size_t val;
	caryon::shared_ptr<ListNode> _prev;
	caryon::shared_ptr<ListNode> _next;
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	caryon::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	caryon::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
	return 0;
}

这样的情况就有了weak_ptr

3.4 weak_ptr

cpp 复制代码

namespace caryon
{
	template<class T>
	class weak_ptr
	{
	public:
		weak_ptr()
		{}

		weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp.get())
		{}

		weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			_ptr = sp.get();

			return *this;
		}

	private:
		T* _ptr = nullptr;
	};
}

四、C++11和boost的关系

C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr
C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr
C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
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。