c++智能指针

智能指针

• [一. 智能指针的使用以及原理](#一. 智能指针的使用以及原理)
• • [1. 智能指针的使用场景分析](#1. 智能指针的使用场景分析)
  • [2. RAII和智能指针的设计思路](#2. RAII和智能指针的设计思路)
  • [3. C++标准库智能指针的使⽤](#3. C++标准库智能指针的使⽤)
  • [4. 智能指针的原理](#4. 智能指针的原理)
  • [5. shared_ptr和weak_ptr](#5. shared_ptr和weak_ptr)
  • • [5.1 shared_ptr循环引⽤问题](#5.1 shared_ptr循环引⽤问题)
    • [5.2 weak_ptr](#5.2 weak_ptr)
  • [6. C++11和boost中智能指针的关系(了解即可)](#6. C++11和boost中智能指针的关系(了解即可))
• [二. 内存泄露](#二. 内存泄露)

一. 智能指针的使用以及原理

1. 智能指针的使用场景分析

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我们来看一段代码

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array和array2没有得到释放。
	// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。
	// 但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案
	// 是智能指针，否则代码太戳了
	int* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		cout << "delete []" << array2 << endl;
		delete[] array1;
		delete[] array2;
		throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

代码分析：

如果程序正常运行我们在Func函数申请的资源可以被正确释放，但是如果出现异常我们没有在Func中捕获到，那么就会造成内存泄露。我们把以上代码修改一下变为如下代码是Func捕获不到Divide抛出的异常我们来看看两段程序的运行结果

double Divide(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Divide by zero condition!";
	}
	else
	{
		return (double)a / (double)b;
	}
}
void Func()
{
	// 这⾥可以看到如果发⽣除0错误抛出异常，另外下⾯的array和array2没有得到释放。
	// 所以这⾥捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外⾯处理，这⾥捕获了再重新抛出去。
	// 但是如果array2new的时候抛异常呢，就还需要套⼀层捕获释放逻辑，这⾥更好解决⽅案
	// 是智能指针，否则代码太戳了
	int* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢
	try
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Divide(len, time) << endl;
	}
	catch (int id)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		cout << "delete []" << array2 << endl;
		delete[] array1;
		delete[] array2;
		throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
	}
	// ...
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "未知异常" << endl;
	}
	return 0;
}

第一段程序运行结果

第二顿运行结果

总结：

我们的智能指针就是为了解决这种场景在下面我们会详细分析智能指针的设计思路~

2. RAII和智能指针的设计思路

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• RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是⼀种管理资源的类的设计思想，本质是⼀种利⽤对象⽣命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这⾥的资源可以是内存、⽂件指针、⽹络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给⼀个对象，接着控制对资源的访问，资源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，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。这样我们通过一个对象来管理资源那么就可以在该对象生命周期内资源可以访问当生命周期结束就会自动调用该对象的析构函数完成对资源的释放避免了程序员自己管理资源
• 智能指针类除了满⾜RAII的设计思路，还要⽅便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类⼀样，重载 operator*/operator->/operator[] 等运算符，⽅便访问资源。

3. C++标准库智能指针的使⽤

• C++标准库中的智能指针都在这个头⽂件下⾯，我们包含就可以是使⽤了，智能指针有好⼏种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针⼀样访问的⾏为，原理上⽽⾔主要是解决智能指针拷⻉时的思路不同。
• auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷⻉时把被拷⻉对象的资源的管理权转移给拷⻉对象，这是⼀个⾮常糟糕的设计，因为他会到被拷⻉对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使⽤auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁⽌使⽤这个智能指针的。
• unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯⼀指针，他的特点的不⽀持拷⻉，只⽀持移动。如果不需要拷⻉的场景就⾮常建议使⽤他。同样的也不支持赋值重载
• shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是⽀持拷⻉，也⽀持移动。如果需要拷⻉的场景就需要使⽤他了。底层是⽤引⽤计数的⽅式实现的。
• weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上⾯的智能指针，他不⽀持RAII，也就意味着不能⽤它直接管理资源，weak_ptr的产⽣本质是要解决shared_ptr的⼀个循环引⽤导致内存泄漏的问题。具体细节下⾯我们再细讲。
• 智能指针析构时默认是进⾏delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针⽀持在构造时给⼀个删除器，所谓删除器本质就是⼀个可调⽤对象，这个可调⽤对象中实现你想要的释放资源的⽅式 ，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调⽤删除器去释放资源就是相等于我们的删除器是一个可调用的对象我们在里面自己实现去合适的方法去释放资源。因为new[]经常使⽤，所以为了简洁⼀点，unique_ptr和shared_ptr都特化了⼀份[]的版本，使⽤时 unique_ptr<Date[]> up1(newDate[5]);shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]); 就可以管理new []的资源。
• template <class T, class... Args> shared_ptr make_shared
  (Args&&... args);
• shared_ptr 除了⽀持⽤指向资源的指针构造，还⽀持 make_shared ⽤初始化资源对象的值直接构造。
• shared_ptr 和 unique_ptr 都⽀持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是⼀个
  空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。
• shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使⽤explicit 修饰，防⽌普通指针隐式类型转换成智能指针对象。

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4. 智能指针的原理

下面我们来模拟实现一下auto_ptr和unique_ptr以及shared_ptr的功能重点在于shared_ptr的实现

namespace czy
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			// 管理权转移
			sp._ptr = nullptr;
		}
		auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
		{
			// 检测是否为⾃⼰给⾃⼰赋值
			if (this != &ap)
			{
				// 释放当前对象中资源
				if (_ptr)
					delete _ptr;
				// 转移ap中资源到当前对象中
				_ptr = ap._ptr;
				ap._ptr = NULL;
			}
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
		
	};
	
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
	explicit unique_ptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	~unique_ptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}
	}
	// 像指针⼀样使⽤
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}
	T* operator->()
	{
		return _ptr;
	}
	unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
	unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
private:
	T* _ptr;
};
}

下面我们来详细解释一下shared_ptr指针的用法

namespace czy
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		T* operator->()
		{
			return  _ptr;
		}
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		//构造函数
		explicit shared_ptr(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr), _count(new int(1))
		{
		}


		//提供一个有删除器的构造
		//删除器是一个可以调用的对象并且是返回值void参数为T*的一个可调用对象
		template<class D>
		shared_ptr(T*ptr,D del):_ptr(ptr),_count(new int(1)),_del(del)
		{
		}

		//析构函数
		~shared_ptr()
		{
			if (--(*_count) == 0)
			{
				/*delete ptr;*/
				_del(_ptr);
				delete _count;
				/*ptr = nullptr;
				*/
				_count = nullptr;
			}
		}
		//拷贝构造函数(this(ptr))
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& ptr)
		{
			(*ptr._count)++;
			_ptr = ptr._ptr;
			_count = ptr._count;

		}
		//赋值函数
		//this=ptr
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>ptr)
		{
			if (_ptr != ptr._ptr)
			{
				if (--(*_count) == 0)
				{
					_del(_ptr);
					delete _count;
					_count = nullptr;

				}
				(*ptr._count)++;
				_ptr = ptr._ptr;
				_count = ptr._count;
			}
			return *this;
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _count;
		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; ptr = nullptr; };
	};
}

我们来分析一下为什么我们的成员变量

• 我们有了一个_count用来计数就是为了我们可以控制管理同一块资源的智能指针的数量，注意这里不可以是静态的变量，因为静态变量是属于整个类的如果两个智能指针指向不同的资源那么他们对应的计数也应该不同，因此我们选择一个整形指针来计数。
• 其次我们有了一个包装器对象只要是返回值为void参数为T指针的都可以；因为我们提供了一个模版构造函数，支持传入一个对象进行构造一个智能指针，那为什么我们在成员函数这里要用包装器呢因为==我们无法拿到传入对象的类型他只可以在构造函数拿到但我们知道传入对象一定是一个返回值为void参数为T 的指针因此我们就想到了包装器==这里我们为什么要给一个默认值呢？就是为了当我们不参入删除器时，会走第一个构造，而我们在第一个构造中的初始化列表我们没有显示给包装器初始化，就会给一个随机值，就会出现意想不到的错误，因此我们给了一个默认值支持用delete释放资源

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5. shared_ptr和weak_ptr

5.1 shared_ptr循环引⽤问题

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我们来看下面一段代码

struct ListNode
{
	int _data;
	std::shared_ptr<ListNode> _next;
	std::shared_ptr<ListNode> _prev;
	// 这⾥改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
	// 不增加n2的引⽤计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了
	/*std::weak_ptr<ListNode> _next;
	std::weak_ptr<ListNode> _prev;*/
	~ListNode()
	{
		cout << "~ListNode()" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 循环引⽤ -- 内存泄露
	std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
	std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	n1->_next = n2;
	n2->_prev = n1;
	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
	return 0;
}

运行截图如下：

可以看到我们的析构函数没有调用说明发生了内存泄露？下面来看一下为什么会内存泄露

我们看一下n2什么时候会析构？

首先要n1的next析构，那n1的next什么时候析构？

next需要n1先析构

n1需要prev先析构

prev要n2先析构到此构成死循环从而导致内存泄漏了此时我们的weak_ptr就起到作用了

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5.2 weak_ptr

我们看一下它的构造

weak_ptr支持用shared_ptr构造

下面我们来看一下weak_ptr的使用

expired就是看资源是否过期就是看管理资源的计数是否为0

该函数用来看管理资源的计数

该函数就是用来锁定资源，可以看到返回值是一个shared_ptr，就相当于重新搞了一个原来资源的shared_ptr，这样即使原来的资源过期，我们也可以有新的资源和原来一模一样继续访问。

具体我们可以看一下代码

int main()
{
	std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
	std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
	std::weak_ptr<string> wp = sp1;
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
	sp1 = make_shared<string>("222222");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	sp2 = make_shared<string>("333333");
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	wp = sp1;
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
	auto sp3 = wp.lock();
	cout << wp.expired() << endl;
	cout << wp.use_count() << endl;
	*sp3 += "###";
	cout << *sp1 << endl;
	return 0;
}

首先wp指向资源111111，sp1，sp2也指向该资源，因此首次打印是未过期（也就是0），计数2。

接着sp1指向新的资源222222，此时打印是未过期，计数为1，接着sp2指向新的资源333333，此时打印过期，计数为0。接着wp管理新的资源也就是222222；此时打印未过期，计数为1,；接着wp调用了lock函数生成sp3指向222222；此时打印未过期，计数为2；

接着我们操作sp3的资源加上###，因为sp3与sp1指向的资源是一样的因此打印sp1的资源

就是222222###。下面我们来看运行截图。

可以看到程序执行结果与我们的分析一样因此上述分析是正确的~

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6. C++11和boost中智能指针的关系(了解即可)

• Boost库是为C++语⾔标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建⽴的初衷之⼀就是为C++的标准化⼯作提供可供参考的实现，Boost社区的发起⼈Dawes本⼈就是C++标准委员会的成员之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个⽅向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
• 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/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等.
• 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。

二. 内存泄露

• 什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使⽤的内存，⼀般是忘记释放或者发⽣异常释放程序未能执⾏导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，⽽是应⽤程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因⽽造成了内存的浪费。

• 内存泄漏的危害：普通程序运⾏⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不⼤，进程正常结束，⻚表的映射关系解除，物理内存也可以释放。⻓期运⾏的程序出现内存泄漏，影响很⼤，如操作系统、后台服务、⻓时间运⾏的客⼾端等等，不断出现内存泄漏会导致可⽤内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。
  如何避免内存泄露

• ⼯程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下⼀条智能指针来管理才有保证。

• 尽量使⽤智能指针来管理资源，如果⾃⼰场景⽐较特殊，采⽤RAII思想⾃⼰造个轮⼦管理。

• 定期使⽤内存泄漏⼯具检测，尤其是每次项⽬快上线前，不过有些⼯具不够靠谱，或者是收费。

• 总结⼀下：内存泄漏⾮常常⻅，解决⽅案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。事后查错型。如泄漏检测⼯具。