C++智能指针

引言：C++没有垃圾回收（GC）机制，需要手动开辟和释放堆内存，当释放不及时或者被遗忘时，就会导致内存泄露或者内存溢出的问题。针对该问题，C++11提供了三种智能指针（模板类）：unique_ptr，shared_ptr和weak_ptr，使用时需引入<memory>头文件。

unique_ptr

独占型智能指针，其效果是：当unique_ptr对象离开作用域而执行析构函数时，会自动delete其关联的指针。

构造方式

1. 构造函数，参数为裸指针。
2. make_unique函数，C++14支持。
3. 移动构造，移动拷贝或者移动赋值。

注意事项：unique_ptr不允许普通的拷贝和赋值（通过=delete禁用）。

std::unique_ptr<T> ptr_obj1(new T);                     // 普通构造
std::unique_ptr<T> ptr_obj2 = std::make_unique<T>(...); // make_unique构造
std::unique_ptr<T> ptr_obj3 = std::move(ptr_obj1);      // 移动拷贝
std::unique_ptr<T> ptr_obj4(std::move(ptr_obj1));       // 移动拷贝
std::unique_ptr<T> ptr_obj5;
ptr_obj5 = std::move(ptr_obj1);                         // 移动赋值

// 当关联一个对象指针时，参数...用于构造该对象
auto ptr1 = std::make_unique<T>(...);
// 当关联一个数组时，参数是数组的大小
auto ptr2 = std::make_unique<T[]>(10);

移动构造语义

假设智能指针ptr-i所关联的裸指针为p-i

auto ptr1 = std::make_unique<T>();
auto ptr2 = std::make_unique<T>();
ptr2 = std::move(ptr1);      // delete p2; p2 = p1; p1 = nullptr;
std::unique_ptr<T> ptr3;
ptr3 = std::move(ptr2);      // p3 = p2; p2 = nullptr;
auto ptr4 = std::move(ptr3); // p4 = p3; p3 = nullptr;

常用方法

get()：返回关联的裸指针，不能delete，资源所有权仍然归unique_ptr
release()：释放所有权，返回裸指针，之后需要手动delete
reset(p)：delete关联的裸指针，获取p的所有权
reset()：delete关联的裸指针，并置为nullptr
swap()：交换两个unique_ptr所关联的裸指针

shared_ptr

共享型智能指针，其效果是：多个shared_ptr对象关联同一个裸指针，每多一个shared_ptr对象，引用计数加一，每少一个shared_ptr对象，引用计数减一，当引用计数降为0时，自动delete其关联的指针。

构造方式

// 普通构造与make_shared
auto ptr1 = std::make_shared<T>();
std::shared_ptr<T> ptr2(new T);

// 拷贝构造与赋值构造（对应对象引用计数+1）
auto ptr3 = ptr1;
std::shared_ptr<T> ptr4;
ptr4 = ptr2;

// 移动拷贝与移动赋值（语义和unique_ptr相同）
auto ptr5 = std::move(ptr1);
std::shared_ptr<T> ptr6;
ptr6 = std::move(ptr2);

实现原理

shared_ptr对象中包含两个指针，一个指向所管理的数据，一个指向控制块（引用计数、weak_ptr的数量、删除器、分配器等）。

• 引用计数的修改是通过原子操作实现的，即是线程安全的。
• 多个线程操作同一个shared_ptr对象时，例如重新赋值等，不是线程安全的。
• 多个线程操作不同shared_ptr对象时（但管理同一数据的），是线程安全的。

常用方法

除了和unique_ptr相同的方法，shared_ptr可通过use_count()来获取所管理数据的引用计数。

weak_ptr

weak_ptr用于监视shared_ptr的生命周期，不管理shared_ptr内部的指针，不能操作资源，不改变引用计数。

基本用法

• expired()：判断监视的shared_ptr对象是否仍然存在。
• use_count()：获取监视的shared_ptr对象所管理数据的引用计数。
• lock()：获取监视的shared_ptr对象

std::weak_ptr<int> wp;
void func() {
  std::cout << "RC: " << wp.use_count() << std::endl;
  if (wp.expired()) {
    std::cout << "Expired" << std::endl;
  } else {
    auto spt = wp.lock();
    std::cout << *spt << std::endl;
  }
}

int main()
{
  {
    auto sp = std::make_shared<int>(100);
    wp = sp;
    func();
  }
  func();
  return 0;
}

// 输出：
// RC: 1
// 100
// RC: 0
// Expired

weak_ptr的两个经典应用：返回this指针；解决循环引用（待补充）