[C++] 智能指针 进阶

标题：[C++] 智能指针 进阶
水墨不写bug

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在很久之前我们探讨了智能指针的浅显认识，接下来会更加深入，从源码角度认识智能指针，从而了解智能指针的设计原理，并应用到以后的工作项目中。

本文将会按照C++智能指针的发展历史，回顾智能指针的各个版本的设计。后半部分将会模拟实现最常考的shared_ptr的功能。

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一、C++智能指针的发展历程

1. C++98时代：auto_ptr的尝试与缺陷

背景 ：C++早期依赖手动new/delete，稍微有管理不当比如忘记释放，或者有异常抛出（退出调用的函数栈，但是堆区的指针却找不到了 ），就可能导致内存泄漏。C++98引入auto_ptr，首次尝试自动化资源管理。
机制 ：基于RAII（资源获取即初始化），在构造时获取内存，在析构时自动释放内存。
问题：

• 隐式所有权转移 ：复制auto_ptr时，原指针变为nullptr，导致难以追踪的悬空指针。
• 不兼容容器：因拷贝语义异常，无法安全用于STL容器。

示例：

auto_ptr<int> p1(new int(32));
auto_ptr<int> p2 = p1; // p1变为nullptr，后续使用p1导致未定义行为

结局 ：最终C++11弃用，C++17移除。因此为了代码的逻辑性和健壮性，以及可移植性，非常不建议使用auto_ptr。

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2. Boost库的智能指针

背景 ：C++社区通过Boost库探索更健壮的解决方案，后来这些方案被C++委员会收录到了C++11。
关键类型：

• scoped_ptr：禁止拷贝，严格独占所有权，轻量且安全。
• shared_ptr：引用计数实现共享所有权，解决多所有者场景。
• weak_ptr ：打破shared_ptr循环引用，防止内存泄漏。

影响：直接为C++11智能指针奠定基础。

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3. C++11：C++划时代的进步

核心类型：

• unique_ptr ：取代auto_ptr，独占所有权，支持移动语义，禁止拷贝，可管理数组（unique_ptr<T[]>）。

  unique_ptr<int> p1(new int(10));
  unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // 显式所有权转移

• shared_ptr ：引用计数共享资源，线程安全但性能有开销。

  shared_ptr<A> a = make_shared<A>();
  shared_ptr<A> b = a; // 引用计数增至2

• weak_ptr ：可通过其获取对应的shared_ptr资源，不增加计数，需通过lock()获取临时shared_ptr。

  weak_ptr<A> w = a;
  if (shared_ptr<A> tmp = w.lock()) { /* 使用tmp */ }

改进：

• 弃用auto_ptr，推荐unique_ptr。
• 引入make_shared：合并控制块与对象内存分配，提升性能与异常安全。

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4. C++14：完善与便利性增强

• make_unique ：填补make_shared的对称性，安全构造unique_ptr。

  auto p = make_unique<int>(20); // 避免显式new

• shared_ptr增强：支持自定义删除器与分配器，更灵活的资源管理。

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后期的C++17用法不多常见，在此就不再赘述了。

二、智能指针的模拟实现

1、unique_ptr

template<class T>
class UniquePtr
{
    UniquePtr<T>& operator=(const UniquePtr<T>&) = delete;//删除拷贝构造和赋值重载
    UniquePtr(const UniquePtr<T>&) = delete;//这是unique_ptr的标志性的特点
public:
    UniquePtr(T* ptr)
        :_ptr(ptr)//浅拷贝
        //这就要求我们需要在外部new出堆区的空间，然后传递给智能指针来管理
    {}
    ~UniquePtr()
    {
        if(_ptr)//析构
            delete _ptr;
    }
    T& operator*()//重载*和->让智能指针（类）像普通指针（自定义类型）一样使用
    {
        return *_ptr;
    }
    T* operator->()
    {
        return ptr;
    }
private:
    T* _ptr;
};

2、shared_ptr

template<class T>
class SharedPtr
{
public:
    SharedPtr(T* ptr)
        :_ptr(ptr)//要求从外部传一个指向堆区的指针
        ,_refcount(new int{1})//开辟在堆上，便于所有的管理同一资源的智能指针对象维护
        ,_pmtx(new std::mutex)//同样的原因
    {}

    SharedPtr(const SharedPtr<T>& obj)
        :_ptr(obj._ptr)//只需要浅拷贝，然后引用计数++
        ,_refcount(obj._refcount)
        ,_pmtx(obj._pmtx)
    {
        AddRef();
    }

    SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& obj)
    {
        if(obj._ptr != _ptr)//不能给自身赋值
        {
            Release();//释放掉被赋值的智能指针对象的原有资源
            //浅拷贝
            _ptr = obj._ptr;//两个指针指向同一个T*对象
            _refcount = obj._refcount;//两个指针指向同一个int*
            _pmtx = obj._pmtx;//两个指针指向同一个mutex*的锁
            AddRef();
        }
    }
    void AddRef()
    {//增加引用计数需要加锁
        _pmtx->lock();
        (*_refcount)++;
        _pmtx->unlock();
    }

    void Release()
    {
        _pmtx->lock();
        bool f = false;
        if(--(*_refcount) == 0 && _ptr)
        {
            f = true;
            delete _ptr;
            delete _refcount;
        }
        _pmtx->unlock();
        //判断是否资源已经被释放，资源已经被释放，则释放锁
        if(f == true)
        {
            delete _pmtx;
        }
    }
    ~SharedPtr()
    {
        Release();
    }
    int UseCount()
    {
        return *_refcount;
    }
    T& operator*()//重载运算符
    {
        return *_ptr;
    }
    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }
    T* GetPtr()
    {
        return _ptr;
    }
private:
    T* _ptr;//指向堆区资源的裸指针
    int* _refcount;//开辟在堆区的引用计数
    std::mutex* _pmtx;//堆区的锁，考虑线程安全
    //如果设置在栈上，那么每一个对象都有一个独立的引用计数
    //每一次自增自减都需要对同一引用计数的所有对象维护，非常难以维护
};

3、weak_ptr

库中的wear_ptr的实现需要结合起来shared_ptr，shared_ptr内部含有两个引用计数，一个是记录管理资源的shared_ptr（占用引用计数）的个数，一个记录指向资源的weak_ptr（不占用引用计数）的个数。

在这里，为了简便而言，我们实现一个简化版本的weak_ptr，对上面的知识理解即可。

// 简化版本的weak_ptr实现
template<class T>
class WeakPtr
{
public:
    WeakPtr()
        :_ptr(nullptr)
    {}

    WeakPtr(const SharedPtr<T>& sp)
        :_ptr(sp.get())
    {}

    WeakPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
    {
        _ptr = sp.get();
        return *this;
    }
    T& operator*()
    {
        return *_ptr;
    }
    T* operator->()
    {
        return _ptr;
    }
private:
    T* _ptr;
};

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~完
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