C++之智能指针

导读

在《C++之指针扫盲》一文中我们对指针进行了讲解，虽然原始指针是几乎无所不能，的确是一把利器，但就是这样的一把利器让多少人既爱又恨，一不小心就杀敌一千，自损八百，无论你是 多么的严谨，总是很难从根本上避免内存泄漏。

有没有好的方式去用好这把利刃而又不伤手呢？带着手套不就行了么。。。

RAII

在C程序中有一条行规是:

谁开发谁保护，谁污染谁治理

所以我们在很多库的API中经常发现一些传递二级指针的alloc函数和一些对应的xxx_free函数，这就是遵循谁开发谁保护，谁污染谁治理的原则。

在进入智能指针话题之前我们先来了解下RAII。

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是由c++之父Bjarne Stroustrup提出的，中文翻译为资源获取即初始化，他说：使用局部对象来管理资源的技术称为资源获取即初始化；这里的资源主要是指操作系统中有限的东西如内存、网络套接字等等，局部对象是指存储在栈的对象，它的生命周期是由操作系统来管理的，无需人工介入。

堆指针在C/C++实在是太灵活，但是每次使用完毕后都需要程序员手动地去释放它，但是程序员们往往会忘记释放它，又或者是命名写了释放的代码，但是因为各种执行的异常情况，导致到释放资源的代码根本没有执行到，特别是引入了异常机制后的C++更是如此。因此为了解决这些问题，c++之父给出了解决问题的方案：

使用RAII，它充分地利用了C++语言局部对象自动销毁的特性来控制资源的生命周期。

一句话总结起来就是在构造函数中去申请资源，在析构函数中去释放资源。

以下展示了一个简单的RAII的例子：

class Student{
public:

    Student():name(new string("张三")){

    }

    ~Student(){
        // 声明周期结束自动释放指针
        delete name;
        name = nullptr;
    }

public:
    const string *name;
};

int main() {
    Student student;
//    delete student.name; //  不需要手动释放内部的指针
    return 0;
}

咋一看，这RAII确实是个好东西呀，既然有了RAII还需要智能指针干嘛呢？难道C++造物主也要扛KPI？？？

智能指针

C++11推出了三种智能指针，它们分别是unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr，同时也将auto_ptr废弃掉。既然auto_ptr已经废弃掉了，这里就不再讨论了， 感兴趣的童鞋可以自行查阅auto_ptr的相关隐患来了解下它为什么会被替代掉。

智能指针，既然是智能的，为什么需要三种呢？一种万能的不就可以了吗？存在即合理，unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr三种智能指针在不同的场合区分使用更能提升我们程序的强壮性。

当需要使用智能指针的时候包含头文件<memory>即可。

1、unique_ptr

std::unique_ptr是一种独占的智能指针，它禁止其他智能指针与其共享同一个对象，也就是拷贝构造函数，赋值运算符这些相对于std::unique_ptr来说是不可用的了。如下例子可以验证这点：

int main() {
    unique_ptr<int> p1(new int(1));
    unique_ptr<int> p2 = p1; // 错误，unique_ptr不允许共享内部的原始指针
    unique_ptr<int> p3(new int(3));
    p3 = p1;               //错误，unique_ptr不允许共享内部的原始指针
    unique_ptr<int> p4 = std::move(p1);// 可以，但是此时p1是不可用的，p1中的指针已经转移到了p4
    std::cout << "p1:" << *p1 << std::endl; // 获取不到值
    return 0;
}

** 注意，在C++11 没有提供std::make_unique，它是在C++14之后才提供的。**

2、shared_ptr

显然std::unique_ptr智能指针的独占性在在一些场合是无法满足开发者们的需求的，此时就需要shared_ptr登场了，shared_ptr是基于引用计数的一种智能指针，shared_ptr内部维护着一个原始指针和一个引用计数的指针，当shared_ptr发生析构销毁的时候，shared_ptr会将引用计数减去1，如果引用计数不为0则不会销毁原始指针，直到引用计数 为0才会销毁这个原始指针。

相对于std::unique_ptr来说，shared_ptr的拷贝构造函数和赋值运算符是可以正常使用的，同时在C++11中就提供了make_shared函数，至于std::make_unique为什么到了C++14才提供， 俺也不知道，俺也不敢问呀....

shared_ptr可以通过use_count获取内部的原始指针的引用计数。

shared_ptr可以通过get函数获取到内部的原始指针，但是这是一件很疯狂的事情，意味着你需要对你自己做的事情负责....

int main() {
    shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(1);
    shared_ptr<int> p2 = p1; // 可以
    shared_ptr<int> p3(p1);
    std::cout << "p1 use_count:" << p1.use_count() << std::endl; // 3
    std::cout << "p2 use_count:" << p2.use_count() << std::endl; // 3
    std::cout << "p3 use_count:" << p3.use_count() << std::endl; // 3
    p1.reset(); // p1重置
    std::cout << "#######################" << std::endl;
    std::cout << "p1 use_count:" << p1.use_count() << std::endl; // 0
    std::cout << "p2 use_count:" << p2.use_count() << std::endl; // 2
    std::cout << "p3 use_count:" << p3.use_count() << std::endl; // 2
    std::cout << "*p1:" << *p1<< std::endl; // 无法获取到值
    return 0;
}

当然shared_ptr除了上面例子中用到的成员函数，还有其他的成员函数，大家需要多动手敲敲才能实践出真知。

与unique_ptr不同，shared_ptr不直接支持管理动态数组。如果希望使用shared_ptr管理一个动态数组，必须提供自己定义的删除器：

int main() {
    unique_ptr<int[]> up(new int[10]); // 正确
    shared_ptr<int[]> sharedPtr1(new int[10]); // 错误
    shared_ptr<int> sharedPtr(new int[10], [](int *p) {
        std::cout << "释放指针" << std::endl;
        delete[] p;
    });  // 正确，要许自定义指针释放函数
    return 0;
}

3、weak_ptr

有了shared_ptr和unique_ptr看来和内存泄漏说再见真是指日可待呀。

我们看看以下的例子，为什么他们的构造函数没有被调用?

main.cpp
using namespace std;
class A;
class B;
class A{
public:
    A(){

    }
    ~A(){
        std::cout << "A被析构" << std::endl;
    }
public:
    shared_ptr<B> ptrB;
};

class B{
public:
    B(){

    }
    ~B(){
        std::cout << "B被析构" << std::endl;
    }
public:
    shared_ptr<A> ptrA;
};

int main() {
    shared_ptr<A> pa = make_shared<A>();
    shared_ptr<B> pb = make_shared<B>();
    pa->ptrB = pb;
    pb->ptrA = pa;
    std::cout << "pa.use_count:" << pa.use_count() << std::endl;
    std::cout << "pb.use_count:" << pb.use_count() << std::endl;
    return 0;
}

很明显，已经发生了循环引用了，所以导致main函数执行完毕之后智能指针pa和pb依然保持着1个引用计数，所以导致A和B都没有执行析构函数。

这是就需要weak_ptr来解决循环引用的问题了，weak_ptr是一种若引用的指针，它一般是搭配shared_ptr使用，但是它不会增加shared_ptr的引用计数，也就是说虽然我拥有你，但是我并限制你。。。

但也就是因为weak_ptr没有强引用，所以有可能在weak_ptr需要使用原始指针的时候，原始指针已经被别人释放掉了，所以在使用weak_ptr获取原始值之前需要使用lock校验一下。

weak_ptr一般不会单独使用，它一般都会使用一个shared_ptr来初始化它。

针对以上程序我们使用weak_ptr修复一下即可：

using namespace std;
class A;
class B;
class A{
public:
    A(){

    }
    ~A(){
        std::cout << "A被析构" << std::endl;
    }
public:
    weak_ptr<B> ptrB;
};

class B{
public:
    B(){

    }
    ~B(){
        std::cout << "B被析构" << std::endl;
    }
public:
    weak_ptr<A> ptrA;
};

int main() {
    shared_ptr<A> pa = make_shared<A>();
    shared_ptr<B> pb = make_shared<B>();
    pa->ptrB = pb;
    pb->ptrA = pa;
    std::cout << "pa.use_count:" << pa.use_count() << std::endl;
    std::cout << "pb.use_count:" << pb.use_count() << std::endl;
    shared_ptr<B> lock = pa->ptrB.lock(); // 如果已经被释放weak_ptr lock会返回空
    if(nullptr != lock){

    }
    return 0;
}

4、返回自己的智能指针

假如你希望通过智能指针来管理你的资源，在书写一个类的成员函数时你希望不返回原始的指向自己的指针，你希望是返回一个shared_ptr那么请看以下写法是否正确？

class A{
public:
    shared_ptr<A> getPtr(){
        return make_shared<A>();
    }
};

int main() {
    shared_ptr<A> pa = make_shared<A>();
    shared_ptr<A> ptr = pa->getPtr();
    std::cout << "pa.use_count" << pa.use_count() << std::endl; // 打印1
    std::cout << "ptr.use_count" << ptr.use_count() << std::endl; // 打印1
    return 0;
}

上面的写法会有什么问题呢？智能指针pa和智能指针ptr的引用计数都是1，但是他们却引用了同一个对象，这是很危险的，既然智能指针pa和智能指针ptr是相互独立的，并没有实现真正意义上的共享， 一旦他们当中的其中一个被析构，另外一个再去获取对象时就会发生意外。

如果想要在类的成员函数内返回自己的共享智能指针的话需要继承std::enable_shared_from_this<T>：

class A:public std::enable_shared_from_this<A>{
public:
    shared_ptr<A> getPtr(){
        return shared_from_this();
    }
};

int main() {
    shared_ptr<A> pa = make_shared<A>();
    shared_ptr<A> ptr = pa->getPtr();
    std::cout << "pa.use_count" << pa.use_count() << std::endl; // 正常，打印2
    std::cout << "ptr.use_count" << ptr.use_count() << std::endl; // 正常，打印2
    return 0;
}

经过修改后我们发现智能指针pa和智能指针ptr实现了共享，他们的引用计数变成了2。

5、shared_ptr是线程安全的吗 这是一个面试官经常喜欢问的一道面试题。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是shared_ptr的指针不是线程安全的。大家可以想象下为什么shared_ptr引用计数要设计成线程安全的呢？

智能指针使用的建议

1、在使用指针指针时尽量使用标准库提供的初始化方法，不到万不得已，不要使用new的方式产生智能指针。这是因为 只有当一切构造动作都完成了，析构函数才有可能被调用。如果智能指针构造失败，那new方式传递进去的指针就不会被析构函数释放。

这条在《C++ Primer》一书中有说：

最安全的分配和使用动态内存的方法是调用一个名为make_shared的标准库函数。此函数在动态内存中分配一个对象并初始化它，返回指向此对象的shared_ptr。

2、尽量不要获取智能指针内部的原始指针，在《C++ Primer》一书中有提到：

使用一个内置指针来访问一个智能指针所负责的对象是很危险的，因为我们无法知道对象何时会被销毁。

3、智能指针作为函数参数，能传引用则传递引用，否则使用值传递，虽然之间传递原始指针可能会损耗更加小的内存，但是这样会加大犯错的概率， 不太建议。

4、优先使用unique_ptr指针指针，如果确实需要共享的才使用shared_ptr，如果存在这循环引用的对象则shared_ptr搭配weak_ptr使用。

5、更多关于智能指针的资料，笔者建议童鞋们看看《Effective Modern C++》这本书的第四章内容。

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