C++智能指针

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为什么需要智能指针

1 shared_ptr

1.1 shared_ptr内存模型

1.2  shared_ptr的基本用法和常用函数

1.2.1构造初始化智能指针shared_ptr

1.2.2 辅助函数

1.2.3指定删除器

1.3 使用shared_ptr要注意的问题 

1.3.1 不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr

1.3.2不要在函数实参中创建shared_ptr 

1.3.3通过shared_from_this()返回this指针

1.3.4避免循环引用 

2 unique_ptr

3.weak_ptr

3.1 weak_ptr弱引用的智能指针

3.2 weak_ptr的基本用法 

3.2.1构造智能指针weak_ptr

3.2.2辅助函数

3.3 weak_ptr返回this指针 

3.4 weak_ptr解决循环引用问题 

3.5 weak_ptr使用注意事项 

4 智能指针安全性问题 

参考 

---

为什么需要智能指针

智能指针主要解决以下问题：

1. 内存泄漏：内存手动释放，使用智能指针可以自动释放malloc free; new delete

2. 共享所有权指针的传播和释放，比如多线程使用同一个对象时析构问题

3. 使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。

C++里面的四个智能指针: auto_ptr,shared_ptr，unique_ptr, weak_ptr 其中后三个是C++11支持，并且第一个已经被C++11弃用。

几个指针的特点：

1. unique_ptr独占对象的所有权，由于没有引用计数，因此性能较好。
2. shared_ptr共享对象的所有权，但性能略差。
3. weak_ptr配合shared_ptr，解决循环引用的问题。

1 shared_ptr 1.1 shared_ptr内存模型

shared_ptr 内部包含两个指针，一个指向对象，另一个指向控制块(control block)，控制块中包含一个引用计数(reference count), 一个弱计数(weak count)和其它一些数据。

        std::shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。再最后一个shared_ptr析构的时候，内存才会被释放。

        shared_ptr共享被管理对象，同一时刻可以有多个shared_ptr拥有对象的所有权，当最后一个shared_ptr对象销毁时，被管理对象自动销毁。

简单来说，shared_ptr实现包含了两部分
一个指向堆上创建的对象的裸指针，raw_ptr。
一个指向内部隐藏的、共享的管理对象。share_count_object。

第一部分没什么好说的，第二部分是需要关注的重点：
use_count，当前这个堆上对象被多少对象引用了，简单来说就是引用计数。

1.2  shared_ptr的基本用法和常用函数 1.2.1构造初始化智能指针shared_ptr

 1. 通过构造函数、std::shared_ptr辅助函数和reset方法来初始化shared_ptr，代码如下：

// 智能指针初始化
std::shared_ptr p1(new int(1));
std::shared_ptr p2 = p1;
std::shared_ptr p3;
p3.reset(new int(1));
if(p3) {
cout << "p3 is not null";
}

2. 我们应该优先使用make_shared来构造智能指针，因为他更高效。

auto sp1 = make_shared(100);
//或 
shared_ptr sp1 = make_shared(100);
//相当于
shared_ptr sp1(new int(100));

3. 不能将一个原始指针(裸指针)直接赋值给一个智能指针，例如，下面这种方法是错误的：

std::shared_ptr p = new int(1);

初始化

        shared_ptr不能通过“直接将原始这种赋值”来初始化，需要通过构造函数和辅助方法来初始化。

s.reset(…)：重置shared_ptr；

        reset( )不带参数时，若智能指针s是唯一指向该对象的指针，则释放，并置空。若智能指针P不是唯一指向该对象的指针，则引用计数减少1，同时将P置空。

        reset( )带参数时，若智能指针s是唯一指向对象的指针，则释放并指向新的对象。若P不是唯一的指针，则只减少引用计数，并指向新的对象。

// 智能指针初始化
std::shared_ptr p1(A);//A use_count=1
std::shared_ptr p2 = p1;//A use_count=2
std::shared_ptr p3;//use_count=0
p3.reset(A);//A use_count=1

// 智能指针有值时reset
std::shared_ptr p1(A);//A use_count=1
std::shared_ptr p2 = p1;//A use_count=2
p2.reset(B);//A use_count=1 , B use_count=1

1.2.2 辅助函数

//返回shared_ptr中保存的裸指针
s.get()
//重置shared_ptr
s.reset(…)
//返回shared_ptr的强引用计数
s.use_count()
//若use_count()为1，返回true，否则返回false
s.unique()

另外智能指针可以通过重载的bool类型 *** 作符来判断

#include
#include
using namespace std;
int main() {
	std::shared_ptr p1;
	p1.reset(new int(1));
	std::shared_ptr p2 = p1;
	// 引用计数此时应该是2
	cout << "p2.use_count() = " << p2.use_count()<< endl;
	p1.reset();
	cout << "p1.reset()\n";
	// 引用计数此时应该是1
	cout << "p2.use_count()= " << p2.use_count() << endl;
	if(!p1) {
		cout << "p1 is empty\n";
	}
	if(!p2) {
		cout << "p2 is empty\n";
	}
	p2.reset();
	cout << "p2.reset()\n";
	cout << "p2.use_count()= " << p2.use_count() << endl;
	if(!p2) {
		cout << "p2 is empty\n";
	}
	return 0;
}

当需要获取原始指针时，可以通过get方法来返回原始指针，代码如下所示

std::shared_ptr ptr(new int(1));
int *p = ptr.get(); //不小心 delete p; ---> err

谨慎使用p.get()的返回值，如果你不知道其危险性则永远不要调用get()函数。
        p.get()的返回值就相当于一个裸指针的值，不合适的使用这个值，上述陷阱的所有错误都有可能发生，
遵守以下几个约定：
        不要保存p.get()的返回值 ，无论是保存为裸指针还是shared_ptr都是错误的
        保存为裸指针不知什么时候就会变成空悬指针，保存为shared_ptr则产生了独立指针
        不要delete p.get()的返回值 ，会导致对一块内存delete两次的错误

1.2.3指定删除器

        如果用shared_ptr管理非new对象或是没有析构函数的类时，应当为其传递合适的删除器。

        当p的引用计数为0时，自动调用删除器DeleteIntPtr来释放对象的内存。当我们用shared_ptr管理动态数组时，需要指定删除器，因为shared_ptr的默认删除器不支持数组对象。

#include 
#include 

using namespace std;

void DeleteIntPtr(int *p) {
    cout << "call DeleteIntPtr" << endl;
    delete p;
}

int main() {
    std::shared_ptr p(new int(1), DeleteIntPtr);
    // lambda表达式
    std::shared_ptr p2(new int(1), [](int *p) {
        cout << "call lambda1 delete p" << endl;
        delete p;
    });
    // 数组删除
    std::shared_ptr p3(new int[10], [](int *p) {
        cout << "call lambda2 delete p" << endl;
        delete[] p; 
    });
    return 0;
}

1.3 使用shared_ptr要注意的问题  1.3.1 不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr

int *ptr = new int;
shared_ptr p1(ptr);
shared_ptr p2(ptr); // 逻辑错误,重复释放同一块内存

1.3.2不要在函数实参中创建shared_ptr 

对于下面的写法： 

function(shared_ptr(new int), g()); //有缺陷

因为C++的函数参数的计算顺序在不同的编译器不同的约定下可能是不一样的，一般是从右到左，但也可能从左到右，所以，可能的过程是先new int，然后调用g()，如果恰好g()发生异常，而shared_ptr还没有创建， 则int内存泄漏了，正确的写法应该是先创建智能指针，代码如下：

shared_ptr p(new int);
function(p, g());

1.3.3通过shared_from_this()返回this指针

        如果想让另一个智能指针共享自己，那么要使用shared_from_this()函数，而不应该把this指针作为shared_ptr返回出来。这其实就违法了上面写的“不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr”。

        不要将this指针作为shared_ptr返回出来，因为this指针本质上是一个裸指针，因此，这样可能会导致重复析构，看下面的例子。 

//shared_from_this
#include 
#include 

using namespace std;

class A {
public:
    shared_ptr GetSelf() {
        return shared_ptr(this); // 不要这么做
    }

    A() {
        cout << "Construction A" << endl;
    }

    ~A() {
        cout << "Destruction A: " << this << endl;
    }
};

int main() {
    shared_ptr sp1(new A);
    shared_ptr sp2 = sp1->GetSelf();
    cout << "sp1.use_count() = " << sp1.use_count() << endl;
    cout << "sp2.use_count() = " << sp2.use_count() << endl;
    return 0;
}

运行后调用了两次析构函数。 

        在这个例子中，由于用同一个指针（this)构造了两个智能指针sp1和sp2，而他们之间是没有任何关系的，在离开作用域之后this将会被构造的两个智能指针各自析构，导致重复析构的错误。

        正确返回this的shared_ptr的做法是：让目标类通过std::enable_shared_from_this类，然后使用基类的成员函数shared_from_this()来返回this的shared_ptr，如下所示。 

//shared_from_this2
#include 
#include 

using namespace std;

class A : public std::enable_shared_from_this {
public:
    shared_ptr GetSelf() {
        return shared_from_this(); //ok
    }

    A() {
        cout << "Construction A" << endl;
    }

    ~A() {
        cout << "Destruction A" << endl;
    }
};

int main() {
    shared_ptr sp1(new A);
    shared_ptr sp2 = sp1->GetSelf();  // ok
    cout << "sp1.use_count() = " << sp1.use_count() << endl;
    cout << "sp2.use_count() = " << sp2.use_count() << endl;
    cout << "leave {}" << endl;

    return 0;
}

1.3.4避免循环引用 

循环引用会导致内存泄漏，比如：

// cycle-shared-ptr
#include 
#include 

using namespace std;

class A;
class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr bptr;

    ~A() {
        cout << "A is deleted" << endl;
    }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr aptr;

    ~B() {
        cout << "B is deleted" << endl;
    }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr ap(new A);
        std::shared_ptr bp(new B);
        ap->bptr = bp;
        bp->aptr = ap;
    }
    cout << "main leave" << endl;  // 循环引用导致ap bp退出了作用域都没有析构
    return 0;
}

循环引用导致ap和bp的引用计数为2，在离开作用域之后，ap和bp的引用计数减为1，并不回减为0，导致两个指针都不会被析构，产生内存泄漏。
解决的办法是把A和B任何一个成员变量改为weak_ptr，具体方法见weak_ptr章节。

2 unique_ptr

1. unique_ptr是一个独占型的智能指针，它不允许其他的智能指针共享其内部的指针，不允许通过赋值将一个unique_ptr赋值给另一个unique_ptr。下面的错误示例。

unique_ptr my_ptr(new T);

unique_ptr my_other_ptr = my_ptr; // 报错，不能复制

2. unique_ptr不允许复制，但可以通过函数返回给其他的unique_ptr，还可以通过std::move来转移到其他的unique_ptr，这样它本身就不再拥有原来指针的所有权了。例如

unique_ptr my_ptr(new T); // 正确

unique_ptr my_other_ptr = std::move(my_ptr); // 正确

unique_ptr ptr = my_ptr; // 报错，不能复制

3. std::make_shared是c++11的一部分，但std::make_unique不是。它是在c++14里加入标准库的。

auto upw1(std::make_unique()); // with make func

std::unique_ptr upw2(new Widget); // without make func

4.除了unique_ptr的独占性， unique_ptr和shared_ptr还有一些区别，比如 

unique_ptr可以指向一个数组，代码如下所示

std::unique_ptr ptr(new int[10]);

ptr[9] = 9;

std::shared_ptr ptr2(new int[10]); // 这个是不合法的

unique_ptr指定删除器和shared_ptr有区别

std::shared_ptr ptr3(new int(1), [](int *p){delete p;}); // 正确

std::unique_ptr ptr4(new int(1), [](int *p){delete p;}); // 错误

unique_ptr需要确定删除器的类型，所以不能像shared_ptr那样直接指定删除器，可以这样写：

std::unique_ptr ptr5(new int(1), [](int *p){delete p;}); //正确

关于shared_ptr和unique_ptr的使用场景是要根据实际应用需求来选择。
如果希望只有一个智能指针管理资源或者管理数组就用unique_ptr，如果希望多个智能指针管理同一个资源就用shared_ptr。 

3.weak_ptr 3.1 weak_ptr弱引用的智能指针

什么是weak_ptr？

weak_ptr是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的shared_ptr， weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。

weak_ptr解决了什么问题？

share_ptr虽然已经很好用了，但是有一点share_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。

weak_ptr 设计的目的是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作, 它只可以从一个 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少。weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题，如果说两个shared_ptr相互引用，那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0，资源永远不会释放。

3.2 weak_ptr的基本用法  3.2.1构造智能指针weak_ptr

它只可以从一个 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 对象构造。

shared_ptr sp(new int(10));

weak_ptr wp(sp);

3.2.2辅助函数

1.通过use_count()方法获取当前观察资源的引用计数，如下所示：

shared_ptr sp(new int(10));

weak_ptr wp(sp);

cout << wp.use_count() << endl; //结果输出1

2.通过expired()方法判断所观察资源是否已经释放，如下所示：

shared_ptr sp(new int(10));

weak_ptr wp(sp);

if (wp.expired())

   cout << "weak_ptr无效,资源已释放";

else

   cout << "weak_ptr有效";

3.通过lock方法获取监视的shared_ptr，如下所示：

通过lock方法返回shared_ptr，这个shared_ptr共享weak监视的对象，也就是说相等于shared_ptr new=old。

第一次调用f()时，sp还没有释放，use_count=1，所以在lock之后，创建了一个新的shared_ptr共享，那么use_count=2。在第二次调用f()时，sp生命周期已经结束，所以use_count=0，那么lock之后新的shared_ptr也只是指向空，那么必然是无效的，已经释放了。

#include 
#include 

using namespace std;
std::weak_ptr gw;

void f() {
    auto spt = gw.lock();
    if (gw.expired()) {
        cout << "gw无效,资源已释放";
    }
    else {
        cout << "gw有效, *spt = " << *spt << endl;
    }
}

int main() {
    {
        auto sp = std::make_shared(42);
        gw = sp;
        f();
    }
    f();
    return 0;
}

3.3 weak_ptr返回this指针 

shared_ptr章节中提到不能直接将this指针返回shared_ptr，需要通过派生std::enable_shared_from_this类，并通过其方法shared_from_this来返回指针，原因是std::enable_shared_from_this类中有一个weak_ptr，这个weak_ptr用来观察this智能指针，调用shared_from_this()方法是，会调用内部这个weak_ptr的lock()方法，将所观察的shared_ptr返回，再看前面的范例

//1-1-shared_from_this2
#include 
#include 

using namespace std;

class A : public std::enable_shared_from_this {
public:
    shared_ptr GetSelf() {
        return shared_from_this(); //ok
    }

    A() {
        cout << "Construction A" << endl;
    }

    ~A() {
        cout << "Destruction A" << endl;
    }
};

int main() {
    shared_ptr sp1(new A);
    shared_ptr sp2 = sp1->GetSelf();  // ok
    cout << "sp1.use_count() = " << sp1.use_count() << endl;
    cout << "sp2.use_count() = " << sp2.use_count() << endl;
    cout << "leave {}" << endl;

    return 0;
}

输出结果如下：

在外面创建A对象的智能指针和通过对象返回this的智能指针都是安全的，因为shared_from_this()是内部的weak_ptr调用lock()方法之后返回的智能指针，在离开作用域之后，spy的引用计数减为0，A对象会被析构，不会出现A对象被析构两次的问题。

需要注意的是，获取自身智能指针的函数尽在shared_ptr的构造函数被调用之后才能使用，因为enable_shared_from_this内部的weak_ptr只有通过shared_ptr才能构造。

3.4 weak_ptr解决循环引用问题 

在shared_ptr章节提到智能指针循环引用的问题，因为智能指针的循环引用会导致内存泄漏，可以通过weak_ptr解决该问题，只要将A或B的任意一个成员变量改为weak_ptr。

// 1-3-2-cycle-shared-ptr
#include 
#include 

using namespace std;

class A;
class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr bptr;

    ~A() {
        cout << "A is deleted" << endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr aptr;

    ~B() {
        cout << "B is deleted" << endl;
    }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr ap(new A);
        std::shared_ptr bp(new B);
        ap->bptr = bp;
        bp->aptr = ap;
    }
    cout << "main leave" << endl;  
    return 0;
}

这样在对B的成员赋值时，即执行bp->aptr=ap;时，由于aptr是weak_ptr，它并不会增加引用计数，所以ap的引用计数仍然会是1，在离开作用域之后，ap的引用计数为减为0，A指针会被析构，析构后其内部的bptr的引用计数会被减为1，然后在离开作用域后bp引用计数又从1减为0，B对象也被析构，不会发生内存泄漏。

3.5 weak_ptr使用注意事项 

1.weak_ptr在使用前需要检查合法性。

weak_ptr wp;

{

shared_ptr sp(new int(1)); //sp.use_count()==1

wp = sp; //wp不会改变引用计数，所以sp.use_count()==1

shared_ptr sp_ok = wp.lock(); //wp没有重载-> *** 作符。只能这样取所指向的对象

//sp.use_count()==2

}

shared_ptr sp_null = wp.lock(); //sp_null .use_count()==0;

因为上述代码中sp和sp_ok离开了作用域，其容纳的K对象已经被释放了。得到了一个容纳NULL指针的sp_null对象。

在使用wp前需要调用wp.expired()函数判断一下。因为wp还仍旧存在，虽然引用计数等于0，仍有某处“全局”性的存储块保存着这个计数信息。直到最后一个weak_ptr对象被析构，这块“堆”存储块才能被回收。否则weak_ptr无法直到自己所容纳的那个指针资源的当前状态。

2.我们在使用wp之前需要先lock，再判断。一般情况如下

shared_ptr sp(new int(1)); //sp.use_count()==1

weak_ptr wp;

wp = sp; //wp不会改变引用计数，所以sp.use_count()==1

shared_ptr sp_ok = wp.lock(); //sp.use_count()==2

if(!wp.expired()){

cout<<"执行流程"<

}else{

cout<<"已经销毁"<

}

3.如果shared_ptr sp_ok和weak_ptr wp;属于同一个作用域呢？如下所示： 

weak_ptr wp;

shared_ptr sp_ok;

{

shared_ptr sp(new int(1)); //sp.use_count()==1

wp = sp; //wp不会改变引用计数，所以sp.use_count()==1

sp_ok = wp.lock(); //wp没有重载-> *** 作符。只能这样取所指向的对象

} i

f(wp.expired()) {

cout << "shared_ptr is destroy" << endl;

} else {

cout << "shared_ptr no destroy" << endl;

}

4 智能指针安全性问题 

1.引用计数本身是安全的，至于智能指针是否安全需要结合实际使用分情况讨论：

情况1：多线程代码 *** 作的是同一个shared_ptr的对象，此时是不安全的。

比如std::thread的回调函数，是一个lambda表达式，其中引用捕获了一个shared_ptr。

std::thread td([&sp1]()){....});

又或者通过回调函数的参数传入的shared_ptr对象，参数类型引用

void fn(shared_ptr&sp) {

...

}

..

std::thread td(fn, sp1);

这时候必然不是线程安全的。

情况2：多线程代码 *** 作的不是同一个shared_ptr的对象

这里指的是管理的数据是同一份，而shared_ptr不是同一个对象。比如多线程回调的lambda的是按值捕获的对象。

std::thread td([sp1]()){....});

另个线程传递的shared_ptr是值传递，而非引用：

void fn(shared_ptrsp) {

...

}

..

std::thread td(fn, sp1);

这时候每个线程内看到的sp，他们所管理的是同一份数据，用的是同一个引用计数。但是各自是不同的对象，当发生多线程中修改sp指向的 *** 作的时候，是不会出现非预期的异常行为的。也就是说，如下 *** 作是安全的。

void fn(shared_ptrsp) {

    ...

    if(..){

        sp = other_sp;

    } else {

        sp = other_sp2;

    }

}

需要注意：所管理数据的线程安全性问题：显而易见，所管理的对象必然不是线程安全的，必然 sp1、sp2、sp3智能指针实际都是指向对象A， 三个线程同时 *** 作对象A，那对象的数据安全必然是需要对象A自己去保证。

参考 

C++ 参考手册 https://zh.cppreference.com/w/cpp

为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁？陈硕的博客-CSDN博客多线程读写

https://blog.csdn.net/solstice/article/details/8547547