RAII - std智能指针

std 智能指针

智能指针的选择标准

在类中使用智能指针作为成员变量。需要根据实际情况（主要是看所有权）

原始指针：

• 所有权：该资源对象不属于我，

• 使用前提：资源对象被释放前，我理应必然已经被释放。否则会存在风险。

unique_ptr：

• 所有权：该对象仅仅属于我。

• 被管理的资源对象的生命周期，取决于他所属的唯一一个引用的寿命。

shared_ptr：

• 所有权：

  1. 该资源由多个对象共享

  2. 或者 虽然该对象仅仅属于我，但有使用 weak_ptr 的需要。

     可用于函数传参

• 被管理的资源对象的生命周期，取决于所有引用中，最长寿的那一个。

weak_ptr：

• 所有权：该资源对象不属于我

• 该资源对象释放后，我仍可能不被释放时。

智能指针全家桶

相较于裸指针，智能指针对裸指针封装的初衷，是无需手动释放内存。

auto_ptr

auto_ptr 是c++ 98定义的智能指针模板，已经被C++11抛弃------支持复制运算符重载。

用于管理指针的对象，当对象过期时其析构函数将使用delete 来释放内存。

• 复制或者赋值都会改变资源的所有权
• 在STL容器中使用auto_ptr存在着重大风险，因为容器内的元素必须支持可复制和可赋值
• 不支持对象数组的内存管理

unique_ptr

使用 unique_ptr 最主要的特点：对资源是独占的，防止多个智能指针指向同一个对象。

• 更安全

  • 不支持复制运算符重载，不允许复制。
  • 支持移动语义 move，完美转发 forward
  • 因为独占，所以压根就不存在shared_ptr循环引用的问题

• 更好的支持数组。

  std::unique_ptr<T[]>：为数组提供自动内存管理的智能指针，可用于管理动态分配的数组的内存释放。

• 通过在析构函数中释放资源来管理对象的生命周期，来自动管理资源。

shared_ptr

资源&控制块的生命周期

被管理的资源对象的生命周期：取决于所有 shared_ptr（强引用）中最长寿的那一个。

控制块的生命周期：

• 所有的强引用和弱引用全都析构后，控制块才会删除。
• 因为哪怕是资源析构掉，也要满足wp查询是否资源还存在的需求。

make_shared

make_shared内存布局更加紧凑，避免内存碎片化。

若使用shared_ptr<Person> (new X) ：控制块的地址与被控制资源的地址 分离。

耗费资源高

耗费资源高，不能代替 unique_ptr

• 需要维护一个 atomic 的引用计数器，效率低，需要额外的一块管理内存，访问实际对象需要二级指针

• 而且 deleter 使用了类型擦除技术。

线程安全

对于这个问题，通常的回答我觉得答非所问：即 sharedptr 安全又不安全：

1. 引用计数（控制块中的计数）线程安全

   资源的生命周期是线程安全的（这就足够啦）。

2. 访问被指向的资源不是线程安全的（请用atomic_shared_ptr）

   答非所问，人家的本职工作就是解决生命周期的问题。

   这个附加要求是在此之前的所有指针的通病。要解决它就必须引入新的复杂度。

如果想要支持这个需求2

1. 在设计资源本身时下功夫

2. 新写一个智能指针 支持指针控制资源的多线程修改，解决这个访问资源的竞争问题

   atomic_shared_ptr

反正不要影响sharedptr的复杂度和运行时效率，重温一下 cpp语言的准则：你不需要为不需要的特性付出代价！！

The zero-overhead principle is a C++ design principle that states:

1. You don't pay for what you don't use.
2. What you do use is just as efficient as what you could reasonably write by hand.

循环引用

内存泄漏

• 全部用 shared_ptr，可能出现循环引用之类的问题，导致内存泄露，
• 依然需要使用不影响计数的原始指针或者 weak_ptr 来避免。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>
 
using namespace std;
 
class Person {
  public:
    string m_sName;
    shared_ptr<Person> m_pMother;
    shared_ptr<Person> m_pFather;
    vector<shared_ptr<Person>> m_oKids;
    // vector<weak_ptr<Person>> m_oKids; //弱指针
 
    Person (const string& sName,
            shared_ptr<Person> pMother = nullptr,
            shared_ptr<Person> pFather = nullptr)
     : m_sName(sName), m_pMother(pMother), m_pFather(pFather) {
    }

    ~Person() {
      // 由于循环引用，shared_ptr<Person> pKid pMom pDad都不会调用析构函数
      cout << "删除 " << m_sName << endl;
    }
};
 
shared_ptr<Person> initFamily (const string& sName)
{
    shared_ptr<Person> pMom(new Person(sName + "的母亲"));
    shared_ptr<Person> pDad(new Person(sName + "的父亲"));
    shared_ptr<Person> pKid(new Person(sName, pMom, pDad));
    pMom->m_oKids.push_back(pKid);
    pDad->m_oKids.push_back(pKid);
    return pKid;
}
 
int main()
{
    string sName = "张三";
    shared_ptr<Person> pPerson = initFamily(sName);
 
    cout << sName << "家存在" << endl;
    cout << "- " << sName << "被分享" << pPerson.use_count() << "次" << endl;
    cout << "- " << sName << "母亲第一个孩子的名字是："
         << pPerson->m_pMother->m_oKids[0]->m_sName << endl;
 
    sName = "李四";
    pPerson = initFamily(sName);
    cout << sName << "家已存在" << endl;
}

运行结果

张三家存在
- 张三被分享3次
- 张三母亲第一个孩子的名字是：张三
李四家已存在

weak_ptr

意义

解决循环引用

共享指针shared_ptr指针 ------ 循环引用

如果两个对象使用shared_ptr指针相互引用，并且不存在对这些对象的其他引用，若要释放这些对象及其关联的资源，则共享指针shared_ptr不会释放数据，因为每个对象的引用计数仍为1。

解决：

• 使用普通指针，需要手动管理相关资源的释放。

• 使用 weak_ptr

• unique_ptr

  • 对资源是独占的，防止多个智能指针指向同一个对象。

  • 从使用场景上就不存在循环引用的可能。但是，这个需求又确确实实存在。

生命周期

弱指针weak_ptr需要共享指针shared_ptr才能创建，是共享指针shared_ptr的辅助类。

不影响指向对象的生命周期

• 每当拥有该对象的最后一个共享指针失去其所有权时，任何弱指针weak_ptr指向的资源都会自动变为空
• （但影响shared_ptr的控制块的生命周期）

共享但不拥有对象 的意义

• 若使用共享指针shared_ptr指针，则其将永远不会释放对象。

• 若使用普通指针，则可能出现指针所引用的对象不再有效，这会带来访问已释放数据的风险。

• weak_ptr 不影响引用对象的生命周期

  ------引用的生存期可以超过了所引用的对象的生命周期。

更小的开销

你不必为不需要的特性付出代价

The zero-overhead principle is a C++ design principle that states:

1. You don't pay for what you don't use.
2. What you do use is just as efficient as what you could reasonably write by hand.

使用

弱指针weak_ptr仅提供少量操作：创建，复制和赋值一个弱指针，将弱指针转换为共享指针，检查它是否指向对象。

创建

弱指针weak_ptr指针仅提供3个构造函数

• default构造函数
• copy构造函数
• 共享指针shared_ptr的构造函数。

访问

lock()会从所包含的弱指针weak_ptr中产生一个共享指针shared_ptr。其shared_ptr对象的使用计数在共享指针的生命周期内会增加。

注意，要使用弱指针，需要在表达式中插入lock()函数：

pPerson->mother->kids[0].lock()->name

而不是调用

pPerson->mother->kids[0]->name

如果无法进行此修改（例如，由于该对象的最后所有者同时释放了该对象），lock()函数会生成一个空的shared_ptr，而直接调用运算符*或->将导致未定义的行为。

检查存在

检查弱指针指向的对象是否仍然存在，则可以使用以下几种方法：

• 接口列表 expired()

如果弱指针weak_ptr不再共享对象（空的弱指针），则返回true。

此选项等效于检查use_count()是否等于0，但可能更快。

• 调用 use_count()

返回关联对象的所有者（共享指针shared_ptr）的所有者数量，如果返回值为0，则不再有有效的对象。

但是请注意，通常只应出于调试目的调用use_count()，因为C++标准库明确指出："use_count()不一定有效。"

• 通过使用相应的共享指针shared_ptr构造函数将弱指针weak_ptr显式转换为共享指针shared_ptr。

如果没有有效的引用对象，则此构造方法将引发bad_weak_ptr异常。

这个异常是从std::exception派生的类的异常，其中what()会返回" bad_weak_ptr"。

操作字典

下表为弱指针提供的所有操作。

操作	结果
weak_ptr<T> wp	默认构造函数；创建一个空的弱指针
weak_ptr<T> wp(sp)	创建一个弱指针，共享由sp拥有的指针的所有权
weak_ptr<T> wp(wp2)	创建一个弱指针，共享由wp2拥有的指针的所有权
wp.~weak_ptr()	析构函数；销毁弱指针，但对拥有的对象无效
wp = wp2	赋值（wp之后共享wp2的所有权，放弃先前拥有的对象的所有权）
wp = sp	用共享指针sp进行赋值（wp之后共享sp的所有权，放弃先前拥有的对象的所有权）
wp.swap(wp2)	交换wp和wp2的指针
swap(wp1,wp2)	交换wp1和wp2的指针
wp.reset()	放弃拥有对象的所有权（如果有的话），并重新初始化为空的弱指针
wp.use_count()	返回共享所有者的数量（拥有对象的shared_ptr数目）；如果弱指针为空，则返回0
wp.expired()	返回wp是否为空（等同于wp.use_count() == 0，但可能更快）
wp.lock()	返回共享指针，该共享指针共享弱指针拥有的指针的所有权（如果没有共享指针，则为空共享指针）
wp.owner_before(wp2)	提供严格的弱排序和另一个弱指针
wp.owner_before(sp)	通过共享指针提供严格的弱排序

原先使用shared_ptr

shared_ptr<Person> m_pMother;
shared_ptr<Person> m_pFather;
vector<shared_ptr<Person>> m_oKids;

使用weak_ptr

shared_ptr<Person> m_pMother;
shared_ptr<Person> m_pFather;
vector<weak_ptr<Person>> m_oKids; //弱指针

shared_ptr<Person> pMom(new Person(sName + "的母亲"));
shared_ptr<Person> pKid(new Person(sName, pMom, pDad));
// 尽管是vector<weak_ptr<Person>>但可以push_back分享指针
pMom->m_oKids.push_back(pKid);

std 主类型和弱引用

延伸一下：shared_ptr 是主类型，weak_ptr是其弱引用。

// 主类型 std::shared_ptr<T>
// 弱引用类型 std::weak_ptr<T>、T *

除此之外，std库中还有其它已经实现且比较常用的 主类型 与 弱引用类型

// 主类型 std::string
// 弱引用类型 std::string_view、const char *

// 主类型 std::vector<T>
// 弱引用类型 std::span<T>、(T *, size_t)

// 主类型 std::unique_ptr<T>
// 弱引用类型 T *