c++智能指针，从初学到入门

1.为什么需要智能指针

下面我们先分析一下下面这段程序有没有什么问题？

#include <vector>

void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp){
    if (left >= right) 
        return;
    int mid = left + ((right - left) >> 1);
    // [left, mid]
    // [mid+1, right]
    
    _MergeSort(a, left, mid, tmp);
    _MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);
   
    int begin1 = left, end1 = mid;
    int begin2 = mid + 1, end2 = right;
    int index = left;
    
    while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2){
        if (a[begin1] < a[begin2])
            tmp[index++] = a[begin1++];
        else
            tmp[index++] = a[begin2++];
    }
    
    while (begin1 <= end1)
        tmp[index++] = a[begin1++];
    
    
    while (begin2 <= end2)
        tmp[index++] = a[begin2++];
    
    memcpy(a + left, tmp + left, sizeof(int)*(right - left + 1));
}
void MergeSort(int* a, int n){
    int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
    _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
    
    // 这里假设处理了一些其他逻辑
    vector<int> v(1000000000, 10);
    // ...
    // free(tmp);
}
int main(){
    int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
    MergeSort(a, 5);
    return 0;
}

问题分析：

1. malloc出来的空间，没有进行是释放，存在内存泄漏问题
2. 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常，那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安
   全。

2智能指针的使用及原理

RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源（内存，文件句柄，互斥量等）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保持始终有效，最后在对象西沟的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给一个对象，这样做有两个好处：

• 不需要显示地释放资源
• 采用这种方式，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr {
    public:
        SmartPtr(T* ptr = nullptr)
            : _ptr(ptr)
        {}
        ~SmartPtr()
        {
            if(_ptr)
                delete _ptr;
        }
    private:
        T* _ptr;
    };
void MergeSort(int* a, int n)
{
    int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
    // 讲tmp指针委托给了sp对象，用时老师的话说给tmp指针找了一个可怕的女朋友！天天管着你，直到你go
    //die^^
    SmartPtr<int> sp(tmp);
    // _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
    // 这里假设处理了一些其他逻辑
    vector<int> v(1000000000, 10);
    // ...
    }
int main()
{
    try {
        int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
        MergeSort(a, 5);
    }
    catch(const exception& e)
    {
        cout<<e.what()<<endl;
    }
    return 0;
}

2.2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：AutoPtr模板类中还得需要将 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。*
总结一下智能指针的原理：

1. RAII特性
2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

auto_ptr(C++98)

实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现一份AutoPtr来了解它的原理

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

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

        //一旦发生拷贝，将ap中资源转移到当前对象中，然后令ap与其所管理资源断开联系
        //这样就解决了一块空间被多个对象使用造成的程序崩溃问题
        AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
            :_ptr(ap._ptr)
        {
            ap._ptr = nullptr;
        } 

        AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap){
            //检测是否给自己辅值
            if(this != &ap){
                //释放当前对象的资源
                if(_ptr)
                    delete _ptr;
                
                //转移ap资源到当前对象中
                _ptr = ap._ptr;
                ap._ptr = nullptr;
            }
            return *this;
        }

        T& operator*(){
            return *_ptr;
        }

        T& operator->(){
            return _ptr;
        }
    private:
        T* _ptr;
};

class Date{
    public:
        Date(){
            cout << "Date()" << endl;
        }
        ~Date(){
            cout << "~Date()" << endl;
        }    
    public:
        int _year;
        int _month;
        int _day;
};

int main(){
    AutoPtr<Date> ap(new Date);

    //拷贝后把ap对象赋空了，导致ap对象悬空
    //通过ap对象访问资源时就会报错
    AutoPtr<Date> copy(ap);
    ap->_year = 2020;

    return 0;
}

unique_ptr(C++11)

实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现一份UniquePtr来了解它的原理

template<class T>
class UniquePtr{
    public:
        UniquePtr(T* ptr = nullptr)
            :_ptr(ptr)
        {}

        ~UniquePtr(){
            if(_ptr)
                delete _ptr;
        }

        T& operator*(){
            return *_ptr;
        }

        T& operator->(){
            return _ptr;
        }

    private:
        UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
        UniquePtr& operator=(UniquePtr<t> const &) = delete;

        T* _ptr;
};

shared_ptr(C++11)

实现原理：通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间的共享资源

1. 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。
2. 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。
3. 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；
4. 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。

模拟实现一份简单地SharedPtr，了解原理

template<class T>
class SharedPtr{
    public:
        SharedPtr(T* ptr = nullptr)
            :_ptr(ptr)
            ,_pRefCount(new int(1))
            ,_pMutex(new mutex)
        {}

        ~SharedPtr(){
            Release();
        }

        SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
            :_ptr(sq._ptr)
            ,_pRefCount(sq._pRerCount)
            ,_pMutex(sq._pMutex)
        {
            AddRefCount();
        }

        //sp1 = sp2
        SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp){
            if(_ptr != sp._ptr){
                //释放管理的就资源
                Release();

                //共享管理新对象的资源，增加引用计数
                _ptr = sp._ptr;
                _pRefCount = sp._pRefCount;
                _pMutex = sp._pMutex;

                AddRefCount();
            }
            return *this;
        }

        T& operator*(){
            return *_ptr;
        }
        
        T& operator->(){
            return _ptr;
        }

        int UseCount(){
            retrun _pRefCount;
        }
        
        T* Get(){
            return _ptr;
        }

        void AddRefCount(){
            //加锁或者使用加一的原子操作
            _pMutex->lock();
            ++_pRefCount;
            _pMutex->unlock();
        }

    private:
        void Release(){
            bool deletefalg = false;

            //引用计数减一，如果为0，则释放资源
            _pMutex.lock();
            if(--(*_pRefCount) == 0){
                delete _ptr;
                delete _pRefCount;
                deletefalg = true;
            }
            _pMutex.unlock();

            if(deletefalg == true)
                delete _pMutex;
        }
    private:
        T* _ptr;    //指向管理资源的指针
        int* _pRefCount; //引用计数
        mutex* _pMutex;     //互斥锁
};

shared_ptr的线程安全问题

通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

1. 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。
2. 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。

shared_ptr的循环引用

struct ListNode
{
    int _data;
    shared_ptr<ListNode> _prev;
    shared_ptr<ListNode> _next;
    
    ~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main(){
    shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
    cout << node1.use_count() << endl;
    cout << node2.use_count() << endl;
    
    node1->_next = node2;
    node2->_prev = node1;
    
    cout << node1.use_count() << endl;
    cout << node2.use_count() << endl;
    return 0;
}

循环引用分析：

1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
6. 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

本文地址：https://blog.csdn.net/weixin_43253845/article/details/107636750