2.C++中的智能指针
C++中的智能指针
智能指针的基础知识
智能指针能做到保证资源的自动释放
利用栈上对象离开作用自动析构的特性保证自动释放。
//智能指针简单的实现
template<typename T>
class CSmartPtr{
public:
CSmartPtr(T* ptr= nullptr):_mptr(ptr){}
~CSmartPtr(){
delete _mptr;
}
T& operator*(){//实现智能指针的解引用
return *_mptr;
}
T* operator->(){
return _mptr;
}
private:
T* _mptr;
};
不带引用计数的智能指针
在使用智能指针的使用要先引用memory库
stl中提供了三种不带引用计数的智能指针：auto_ptr、scoped_ptr和unique_ptr
auto_ptr在使用过程中，如果进行赋值和拷贝运算时，会将第一个指针置空，让拷贝或赋值的指针管理之前的内存。基本不使用这个。auto_ptr的源码：
template<class _Ty>
class auto_ptr
{ // wrap an object pointer to ensure destruction
public:
typedef _Ty element_type;
explicit auto_ptr(_Ty * _Ptr = nullptr) noexcept
: _Myptr(_Ptr)
{ // construct from object pointer
}
/*这里是auto_ptr的拷贝构造函数，
_Right.release()函数中，把_Right的_Myptr
赋为nullptr，也就是换成当前auto_ptr持有资源地址
*/
auto_ptr(auto_ptr& _Right) noexcept
: _Myptr(_Right.release())
{ // construct by assuming pointer from _Right auto_ptr
}
_Ty * release() noexcept
{ // return wrapped pointer and give up ownership
_Ty * _Tmp = _Myptr;
_Myptr = nullptr;
return (_Tmp);
}
private:
_Ty * _Myptr; // the wrapped object pointer
};
一个面试题：可以在vector中使用auto_ptr吗？
答：最好不要，因为在使用容器的过程中，难免会发生拷贝（容器1复制到容器2），而auto_ptr的实现方式中为了避免浅拷贝，会把初始的指针置为空，让赋值的指针管理这块内存，之前的指针失去了堆内存的管理权，这样再访问容器1就会发现其中的都是空指针。例子如下：
int main()
{
vector<auto_ptr<int>> vec;
vec.push_back(auto_ptr<int>(new int(10)));
vec.push_back(auto_ptr<int>(new int(20)));
vec.push_back(auto_ptr<int>(new int(30)));
// 这里可以打印出10
cout << *vec[0] << endl;
vector<auto_ptr<int>> vec2 = vec;
/* 这里由于上面做了vector容器的拷贝，相当于容器中
的每一个元素都进行了拷贝构造，原来vec中的智能指针
全部为nullptr了，再次访问就成访问空指针了，程序崩溃
*/
cout << *vec[0] << endl;
return 0;
}
【auto_ptr总结】：auto_ptr智能指针不带引用计数，那么它处理浅拷贝的问题，是直接把前面的auto_ptr都置为nullptr，只让最后一个auto_ptr持有资源。
scoped_ptr中将拷贝构造函数和赋值重载函数都删除了，从源码中禁止了拷贝和赋值。这个指针用的也比较少.源码如下：
template<class T> class scoped_ptr // noncopyable
{
private:
T * px;
/*
私有化拷贝构造函数和赋值函数，这样scoped_ptr的智能指针
对象就不支持这两种操作，从根本上杜绝浅拷贝的发生
*/
scoped_ptr(scoped_ptr const &);
scoped_ptr & operator=(scoped_ptr const &);
typedef scoped_ptr<T> this_type;
/*
私有化逻辑比较运算符重载函数，不支持scoped_ptr的智能指针
对象的比较操作
*/
void operator==( scoped_ptr const& ) const;
void operator!=( scoped_ptr const& ) const;
public:
typedef T element_type;
explicit scoped_ptr( T * p = 0 ): px( p ) // never throws
{
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
boost::sp_scalar_constructor_hook( px );
#endif
}
#ifndef BOOST_NO_AUTO_PTR
/*支持从auto_ptr构造一个scoped_ptr智能指针对象，
但是auto_ptr因为调用release()函数，导致其内部指
针为nullptr*/
explicit scoped_ptr( std::auto_ptr<T> p ) BOOST_NOEXCEPT : px( p.release() )
{
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
boost::sp_scalar_constructor_hook( px );
#endif
}
#endif
/*析构函数，释放智能指针持有的资源*/
~scoped_ptr() // never throws
{
#if defined(BOOST_SP_ENABLE_DEBUG_HOOKS)
boost::sp_scalar_destructor_hook( px );
#endif
boost::checked_delete( px );
}
};
从scoped_ptr的源码可以看到，该智能指针由于私有化了拷贝构造函数和operator=赋值函数，因此从根本上杜绝了智能指针浅拷贝的发生，所以scoped_ptr也是不能用在容器当中的，如果容器互相进行拷贝或者赋值，就会引起scoped_ptr对象的拷贝构造和赋值，这是不允许的，代码会提示编译错误。
推荐使用unique_ptr，与scoped_ptr相同，也是删除了拷贝构造和赋值重载函数，但是定义了移动构造函数，在调用过程中需要使用move函数，可以对右值进行接管，好处是用户可以感知之前的指针不能再对内存进行管理了，心中有数。源码如下：
template<class _Ty,
class _Dx> // = default_delete<_Ty>
class unique_ptr
: public _Unique_ptr_base<_Ty, _Dx>
{ // non-copyable pointer to an object
public:
typedef _Unique_ptr_base<_Ty, _Dx> _Mybase;
typedef typename _Mybase::pointer pointer;
typedef _Ty element_type;
typedef _Dx deleter_type;
/*提供了右值引用的拷贝构造函数*/
unique_ptr(unique_ptr&& _Right) noexcept
: _Mybase(_Right.release(),
_STD forward<_Dx>(_Right.get_deleter()))
{ // construct by moving _Right
}
/*提供了右值引用的operator=赋值重载函数*/
unique_ptr& operator=(unique_ptr&& _Right) noexcept
{ // assign by moving _Right
if (this != _STD addressof(_Right))
{ // different, do the move
reset(_Right.release());
this->get_deleter() = _STD forward<_Dx>(_Right.get_deleter());
}
return (*this);
}
/*
交换两个unique_ptr智能指针对象的底层指针
和删除器
*/
void swap(unique_ptr& _Right) noexcept
{ // swap elements
_Swap_adl(this->_Myptr(), _Right._Myptr());
_Swap_adl(this->get_deleter(), _Right.get_deleter());
}
/*通过自定义删除器释放资源*/
~unique_ptr() noexcept
{ // destroy the object
if (get() != pointer())
{
this->get_deleter()(get());
}
}
/*unique_ptr提供->运算符的重载函数*/
_NODISCARD pointer operator->() const noexcept
{ // return pointer to class object
return (this->_Myptr());
}
/*返回智能指针对象底层管理的指针*/
_NODISCARD pointer get() const noexcept
{ // return pointer to object
return (this->_Myptr());
}
/*提供bool类型的重载，使unique_ptr对象可以
直接使用在逻辑语句当中，比如if,for,while等*/
explicit operator bool() const noexcept
{ // test for non-null pointer
return (get() != pointer());
}
/*功能和auto_ptr的release函数功能相同，最终也是只有一个unique_ptr指针指向资源*/
pointer release() noexcept
{ // yield ownership of pointer
pointer _Ans = get();
this->_Myptr() = pointer();
return (_Ans);
}
/*把unique_ptr原来的旧资源释放，重置新的资源_Ptr*/
void reset(pointer _Ptr = pointer()) noexcept
{ // establish new pointer
pointer _Old = get();
this->_Myptr() = _Ptr;
if (_Old != pointer())
{
this->get_deleter()(_Old);
}
}
/*
删除了unique_ptr的拷贝构造和operator=赋值函数，
因此不能做unique_ptr智能指针对象的拷贝构造和
赋值，防止浅拷贝的发生
*/
unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;
};
但是unique_ptr提供了带右值引用参数的拷贝构造和赋值，也就是说，unique_ptr智能指针可以通过右值引用进行拷贝构造和赋值操作，或者在产生unique_ptr临时对象的地方，如把unique_ptr作为函数的返回值时，示例代码如下：
// 示例1
unique_ptr<int> ptr(new int);
unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr); // 使用了右值引用的拷贝构造 ptr此时就不持有资源了，无法访问
ptr2 = std::move(ptr); // 使用了右值引用的operator=赋值重载函数
// 示例2
unique_ptr<int> test_uniqueptr()
{
unique_ptr<int> ptr1(new int);
return ptr1;
}
int main()
{
/*
此处调用test_uniqueptr函数，在return ptr1代码
处，调用右值引用的拷贝构造函数，由ptr1拷贝构造ptr
*/
unique_ptr<int> ptr = test_uniqueptr();
return 0;
}
unique_ptr还提供了reset重置资源，swap交换资源等函数，也经常会使用到。可以看到，unique_ptr从名字就可以看出来，最终也是只能有一个该智能指针引用资源，因此建议在使用不带引用计数的智能指针时，可以优先选择unique_ptr智能指针。
带引用计数的智能指针
自己实现：
template<typename T>
class RefCnt {//计数类
public:
RefCnt<T>(T *ptr = nullptr) : _mptr(ptr) {
if (_mptr != nullptr) {
_mcount = 1;
}
}
void addRef() { _mcount++; }
int delRef() { return --_mcount; }
private:
T *_mptr;
int _mcount;
};
template<typename T>
class CSmartPtr {
public:
CSmartPtr(T *ptr = nullptr) : _mptr(ptr) {
_mRefPtr = new RefCnt<T>(_mptr);
}
~CSmartPtr() {
if (0 == _mRefPtr->delRef()) {
delete _mptr;
_mptr = nullptr;
}
}
CSmartPtr<T>(const CSmartPtr<T> &src)
: _mptr(src._mptr), _mRefPtr(src._mRefPtr) {
if (_mptr != nullptr)
_mRefPtr->addRef();
}
CSmartPtr<T> &operator=(const CSmartPtr<T> &src) {
if (this == &src) {
return *this;
}
if (0 == _mRefPtr->delRef()) {
delete _mptr;
}
_mptr = src._mptr;
_mRefPtr = src._mRefPtr;
_mRefPtr->addRef();
return *this;
}
T &operator*() {
return *_mptr;
}
T *operator->() {
return _mptr;
}
private:
T *_mptr;
RefCnt<T> *_mRefPtr;
};
C++stl里提供的带有引用计数的智能指针shared_ptr和weak_ptr的使用是线程安全的，底层的引用计数已经通过CAS操作。
shared_ptr交叉引用问题
stl中提供了两个带有引用计数的智能指针
shared_ptr：强智能指针，可以改变资源的引用计数
weak_ptr：弱智能指针，不会改变资源的引用计数
有这样一例子,是shared_ptr的交叉引用：
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B; // 前置声明类B
class A
{
public:
A() { cout << "A()" << endl; }
~A() { cout << "~A()" << endl; }
shared_ptr<B> _ptrb; // 指向B对象的智能指针
};
class B
{
public:
B() { cout << "B()" << endl; }
~B() { cout << "~B()" << endl; }
shared_ptr<A> _ptra; // 指向A对象的智能指针
};
int main()
{
shared_ptr<A> ptra(new A());// ptra指向A对象，A的引用计数为1
shared_ptr<B> ptrb(new B());// ptrb指向B对象，B的引用计数为1
ptra->_ptrb = ptrb;// A对象的成员变量_ptrb也指向B对象，B的引用计数为2
ptrb->_ptra = ptra;// B对象的成员变量_ptra也指向A对象，A的引用计数为2
cout << ptra.use_count() << endl; // 打印A的引用计数结果:2
cout << ptrb.use_count() << endl; // 打印B的引用计数结果:2
/*
出main函数作用域，ptra和ptrb两个局部对象析构，分别给A对象和
B对象的引用计数从2减到1，达不到释放A和B的条件（释放的条件是
A和B的引用计数为0），因此造成两个new出来的A和B对象无法释放，
导致内存泄露，这个问题就是“强智能指针的交叉引用(循环引用)问题”
*/
return 0;
}
代码打印结果：
A()
B()
2
2
可以看到，A和B对象并没有进行析构，通过上面的代码示例，能够看出来“交叉引用”的问题所在，就是对象无法析构，资源无法释放，那怎么解决这个问题呢？请注意强弱智能指针的一个重要应用规则：定义对象时，用强智能指针shared_ptr，在其它地方引用对象时，使用弱智能指针weak_ptr。
弱智能指针weak_ptr区别于shared_ptr之处在于：
weak_ptr不会改变资源的引用计数，只是一个观察者的角色，通过观察shared_ptr来判定资源是否存在weak_ptr持有的引用计数，不是资源的引用计数，而是同一个资源的观察者的计数weak_ptr没有提供常用的指针操作，无法直接访问资源，需要先通过lock方法提升为shared_ptr强智能指针，才能访问资源
那么上面的代码怎么修改，也就是如何解决带引用计数的智能指针的交叉引用问题，代码如下：
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
class B; // 前置声明类B
class A
{
public:
A() { cout << "A()" << endl; }
~A() { cout << "~A()" << endl; }
weak_ptr<B> _ptrb; // 指向B对象的弱智能指针。引用对象时，用弱智能指针
};
class B
{
public:
B() { cout << "B()" << endl; }
~B() { cout << "~B()" << endl; }
weak_ptr<A> _ptra; // 指向A对象的弱智能指针。引用对象时，用弱智能指针
};
int main()
{
// 定义对象时，用强智能指针
shared_ptr<A> ptra(new A());// ptra指向A对象，A的引用计数为1
shared_ptr<B> ptrb(new B());// ptrb指向B对象，B的引用计数为1
// A对象的成员变量_ptrb也指向B对象，B的引用计数为1，因为是弱智能指针，引用计数没有改变
ptra->_ptrb = ptrb;
// B对象的成员变量_ptra也指向A对象，A的引用计数为1，因为是弱智能指针，引用计数没有改变
ptrb->_ptra = ptra;
cout << ptra.use_count() << endl; // 打印结果:1
cout << ptrb.use_count() << endl; // 打印结果:1
/*
出main函数作用域，ptra和ptrb两个局部对象析构，分别给A对象和
B对象的引用计数从1减到0，达到释放A和B的条件，因此new出来的A和B对象
被析构掉，解决了“强智能指针的交叉引用(循环引用)问题”
*/
return 0;
}
代码打印如下：
A()
B()
1
1
~B()
~A
可以看到，A和B对象正常析构，问题解决！
多线程访问共享对象的线程安全问题
有一个用C++写的开源网络库，muduo库，作者陈硕，大家可以在网上下载到muduo的源代码，该源码中对于智能指针的应用非常优秀，其中借助shared_ptr和weak_ptr解决了多线程访问共享对象的线程安全问题，解释如下：线程A和线程B访问一个共享的对象，如果线程A正在析构这个对象的时候，线程B又要调用该共享对象的成员方法，此时可能线程A已经把对象析构完了，线程B再去访问该对象，就会发生不可预期的错误。
先看如下代码：
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
class Test
{
public:
// 构造Test对象，_ptr指向一块int堆内存，初始值是20
Test() :_ptr(new int(20))
{
cout << "Test()" << endl;
}
// 析构Test对象，释放_ptr指向的堆内存
~Test()
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
cout << "~Test()" << endl;
}
// 该show会在另外一个线程中被执行
void show()
{
cout << *_ptr << endl;
}
private:
int *volatile _ptr;
};
void threadProc(Test *p)
{
// 睡眠两秒，此时main主线程已经把Test对象给delete析构掉了
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
/*
此时当前线程访问了main线程已经析构的共享对象，结果未知，隐含bug。
此时通过p指针想访问Test对象，需要判断Test对象是否存活，如果Test对象
存活，调用show方法没有问题；如果Test对象已经析构，调用show有问题！
*/
p->show();
}
int main()
{
// 在堆上定义共享对象
Test *p = new Test();
// 使用C++11的线程类，开启一个新线程，并传入共享对象的地址p
std::thread t1(threadProc, p);
// 在main线程中析构Test共享对象
delete p;
// 等待子线程运行结束
t1.join();
return 0;
}
运行上面的代码，发现在main主线程已经delete析构Test对象以后，子线程threadProc再去访问Test对象的show方法，无法打印出*_ptr的值20。可以用shared_ptr和weak_ptr来解决多线程访问共享对象的线程安全问题，上面代码修改如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <memory>
using namespace std;
class Test
{
public:
// 构造Test对象，_ptr指向一块int堆内存，初始值是20
Test() :_ptr(new int(20))
{
cout << "Test()" << endl;
}
// 析构Test对象，释放_ptr指向的堆内存
~Test()
{
delete _ptr;
_ptr = nullptr;
cout << "~Test()" << endl;
}
// 该show会在另外一个线程中被执行
void show()
{
cout << *_ptr << endl;
}
private:
int *volatile _ptr;
};
void threadProc(weak_ptr<Test> pw) // 通过弱智能指针观察强智能指针
{
// 睡眠两秒
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
/*
如果想访问对象的方法，先通过pw的lock方法进行提升操作，把weak_ptr提升
为shared_ptr强智能指针，提升过程中，是通过检测它所观察的强智能指针保存
的Test对象的引用计数，来判定Test对象是否存活，ps如果为nullptr，说明Test对象
已经析构，不能再访问；如果ps!=nullptr，则可以正常访问Test对象的方法。
*/
shared_ptr<Test> ps = pw.lock();
if (ps != nullptr)
{
ps->show();
}
}
int main()
{
// 在堆上定义共享对象
shared_ptr<Test> p(new Test);
// 使用C++11的线程，开启一个新线程，并传入共享对象的弱智能指针
std::thread t1(threadProc, weak_ptr<Test>(p));
// 在main线程中析构Test共享对象
// 等待子线程运行结束
t1.join();
return 0;
}
运行上面的代码，show方法可以打印出20，因为main线程调用了t1.join()方法等待子线程结束，此时pw通过lock提升为ps成功，见上面代码示例。
如果设置t1为分离线程，让main主线程结束，p智能指针析构，进而把Test对象析构，此时show方法已经不会被调用，因为在threadProc方法中，pw提升到ps时，lock方法判定Test对象已经析构，提升失败！main函数代码可以如下修改测试：
int main()
{
// 在堆上定义共享对象
shared_ptr<Test> p(new Test);
// 使用C++11的线程，开启一个新线程，并传入共享对象的弱智能指针
std::thread t1(threadProc, weak_ptr<Test>(p));
// 在main线程中析构Test共享对象
// 设置子线程分离
t1.detach();
return 0;
}
该main函数运行后，最终的threadProc中，show方法不会被执行到。以上是在多线程中访问共享对象时，对shared_ptr和weak_ptr的一个典型应用。
自定义删除器
标准库中的智能指针中默认的析构方法是delete p，如果使用智能指针指向数组或者是文件就需要自定义删除器。传统的方式是通过自定义函数对象作为删除器，这种方式会构造大量无关的代码，所以在C++11中引入了function和lambda表达式，减少代码量。至于为什么要用函数对象：通过函数对象调用operator（），可以省略函数的调用开销，比通过函数指针调用函数（不能够inline内联调用）效率高。（见8.C++STL倒数第二段）
unique_ptr<int,function<void(int*)>> ptr1(new int[100],
[](int *p)->void{//使用lambda表达式
cout<<"call lambda release int[100]"<<endl;
delete[] p;
});
unique_ptr<FILE,function<void(FILE*)>> ptr2(fopen("data.txt","w"),
[](FILE* p)->void {
cout<<"call lambda release FILE*"<<endl;
fclose(p);
});
