C++11 智能指针的具体使用
作者：Reset。
智能指针的原理
RAII
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：
- 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。
我们使用RAII的思想设计SmartPtr类：
template <class T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
private:
T* _ptr;
};
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。
template <class T>
class SmartPtr
{
public:
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
~SmartPtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
private:
T* _ptr;
};
智能指针使用：
总结智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。
auto_ptr
1.auto_ptr的使用及问题
auto_ptr的头文件#include<memory>
auto_ptr的使用：
为什么此时访问sp的成员时会报错呢？我们来看看它们的地址。
我们发现在拷贝构造之后，sp管理的地址为空，而sp1管理的地址是之前sp所管理的地址，管理权发生了转移。那么上面所说的报错也很容易想通，因为sp管理的地址为空，不能进行访问。
auto_ptr的问题：当对象拷贝或者赋值后，管理权进行转移，造成前面的对象悬空。auto_ptr问题是非常明显的，所以实际中很多公司明确规定了不能使用auto_ptr。
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AutoPtr来了解它的原理：
template<class T>
class AutoPtr
{
public:
AutoPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
//拷贝：管理权转移
AutoPtr(AutoPtr<T> &sp)
:_ptr(sp._ptr)
{
sp._ptr = nullptr;
}
//赋值：管理权转移
AutoPtr& operator=(AutoPtr<T> &sp)
{
if (this != &sp)
{
if (_ptr)
delete _ptr;
_ptr = sp._ptr;
sp._ptr = nullptr;
}
return *this;
}
~AutoPtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
private:
T* _ptr;
};
unique_ptr
为了解决拷贝或者赋值时管理权转移的问题，出现了unique_ptr。
unique_ptr解决问题的方式非常粗暴：防拷贝，也就是不让赋值和拷贝
unique_ptr的使用：
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UniquePtr来了解它的原理：
template<class T>
class UniquePtr
{
public:
UniquePtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
// C++11防拷贝的方式：delete
UniquePtr(const UniquePtr<T> &) = delete;
UniquePtr& operator=(const UniquePtr<T>&) = delete;
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
~UniquePtr()
{
if (_ptr)
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
}
}
private:
//C++98防拷贝的方式：只声明不实现+声明成私有
//UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
//UniquePtr& operator=(UniquePtr<T> const &);
T* _ptr;
};
shared_ptr
c++11中提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
shared_ptr的使用
shared_ptr中拷贝与赋值都是没有问题的。
shared_ptr的原理
- 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，给每个资源都维护了着一份计数，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。
shared_ptr中成员函数：use_count（对象数据的引用计数）
示例：
示例详解：
利用引用计数简单的实现SharedPtr，了解原理：
template<class T>
class SharedPtr
{
public:
SharedPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
,_count(new int(1))
{}
SharedPtr(const SharedPtr<T> &sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_count(sp._count)
{
//计数器累加
++(*_count);
}
SharedPtr& operator=(const SharedPtr<T> &sp)
{
//判断管理的是否是同一份资源
if (_ptr != sp._ptr)
{
//计数-1，判断之前管理的资源是否需要释放
if ((--(*_count)) == 0)
{
delete _ptr;
delete _count;
}
_ptr = sp._ptr;
_count = sp._count;
//计数器累加
++(*_count);
}
return *this;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
~SharedPtr()
{
if (--(*_count) == 0)
{
delete _ptr;
delete _count;
_ptr = nullptr;
_count = nullptr;
}
}
private:
T* _ptr;
int* _count;//给每份资源开辟一个计数器
};
但是还存在一个线程安全的问题：
- 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2。这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、- -是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
- 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。
这里我们通过加锁来解决线程安全问题：
template<class T>
class SharedPtr
{
public:
SharedPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
,_count(new int(1))
,_mutex(new mutex)
{}
SharedPtr(const SharedPtr<T> &sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_count(sp._count)
,_mutex(sp._mutex)
{
//计数器累加
AddCount();
}
SharedPtr& operator=(const SharedPtr<T> &sp)
{
//判断管理的是否是同一份资源
if (_ptr != sp._ptr)
{
//计数-1，判断之前管理的资源是否需要释放
if (SubCount() == 0)
{
delete _ptr;
delete _count;
delete _mutex;
}
_ptr = sp._ptr;
_count = sp._count;
_mutex = sp._mutex;
//计数器累加
AddCount();
}
return *this;
}
//线程安全的累加器
int AddCount()
{
//加锁
_mutex->lock();
++(*_count);
_mutex->unlock();
return *_count;
}
int SubCount()
{
_mutex->lock();
--(*_count);
_mutex->unlock();
return *_count;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
~SharedPtr()
{
if (SubCount() == 0)
{
delete _ptr;
delete _count;
delete _mutex;
_ptr = nullptr;
_count = nullptr;
_mutex = nullptr;
}
}
private:
T* _ptr;
int* _count;//给每份资源开辟一个计数器
mutex* _mutex; //每一份资源有一个独立的锁
};
shared_ptr的循环引用
循环引用的场景：
struct ListNode
{
int _data;
shared_ptr<ListNode> _prev;
shared_ptr<ListNode> _next;
~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
void test()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
}
node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，两个节点的引用计数都是1。node1->next指向node2，node2->prev指向node1，两个节点的引用计数都变成2。程序运行完之后，析构node1和node2，node1和node2所指向的节点引用计数分别减1，但是node1->next指向下面节点，node2->prev指向上面节点，此时，两个节点的引用计数都为1，所以两个节点不能析构。
引用计数为0时，如果要析构node1节点，就先要去析构node1中的自定义结构，然后再析构node1。也就是说node1->next析构了，node2就释放了；node2->prev析构了，node1就释放了。但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
解决方案：
在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了
原理就是，node1->_next = node2和node2->_prev = node1时weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。
weak_ptr最大作用就是解决shared_ptr的循环引用
struct ListNode
{
int _data;
weak_ptr<ListNode> _prev;
weak_ptr<ListNode> _next;
~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
void test()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
}
注意：
weak_ptr不能单独使用，可以用shared_ptr创建
//weak_ptr错误使用 weak_ptr<ListNode> node1(new ListNode); //weak_ptr正确使用 shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode); weak_ptr<ListNode> node3(node2);
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