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【C++】智能指针（万字详解）

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🌈欢迎来到C++专栏~~智能指针

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文章目录

  • 🌈欢迎来到C++专栏~~智能指针
    • 一. 为什么需要智能指针？
      • 😎智能指针的原理
    • 二. C++中的智能指针登场
      • 🥑auto_ptr
      • 🥑unique_ptr
      • 🥑shared_ptr
        • 🎨基本设计
        • 🎨模拟实现
        • 🎨线程安全问题
        • 🎨定制删除器
      • 🥑weak_ptr
        • 💦shared_ptr的循环引用问题
        • 💦weak_ptr解决循环引用
    • C++11和boost中智能指针的关系
    • 常见面试题
  • 📢写在最后

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一. 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内存方面的问题？提示一下：注意分析MergeSort函数中的问题

int div()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	if (b == 0)
		throw invalid_argument("除0错误");
	return a / b;
}

void Func()
{
	// 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
	// 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
	// 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？

	int* p1 = new int;//p1抛异常，直接跳catch，没毛病
	int* p2 = new int;//p2跑异常，程序从这一步跳catch，p1无法释放，资源泄露
	cout << div() << endl; // div抛异常，调到catch，p1, p2无法释放，资源泄露
	delete p1;
	delete p2;
}

int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (exception& e)
	{
		cout << e.what() << endl;
	}

	return 0;
}

问题分析：上面的问题分析出来我们发现有什么问题？

  • 会有严重的内存泄漏的问题：如果用户输入的除数为0，那么div函数中就会抛出异常，这时程序的执行流会直接跳转到主函数中的catch块中执行，最终导致func函数中申请的内存资源没有得到释放

对此我们需要重新捕获异常，捕获后先将之前申请的内存资源释放，然后再将异常重新抛出

还有一种方法就是：智能指针

//利用RAII思想设计delete资源的类
template<class T>
class Smartptr
{
public:
	Smartptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	~Smartptr()
	{
		delete _ptr;
	}
	T& operator*()  //解引用
	{
		return *ptr;
	}

	T* operator->() //自定义类型
	{
		return ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

void Func()
{
	int* p1 = new int;//p1抛异常，直接跳catch，没毛病

	Smartptr<int> sp1(p1);//栈帧结束会调用析构函数
	Smartptr<int> sp2(new int);

	cout << div() << endl; // div抛异常，调到catch，p1, p2无法释放，资源泄露
}

代码中将申请到的内存空间交给了一个SmartPtr对象进行管理

  • 构造的时候，SmartPtr将传入的需要被管理的内存空间保存起来
  • SmartPtr对象析构时，SmartPtr的析构函数中会自动将管理的内存空间进行释放
  • 为了让SmartPtr对象能够像原生指针一样使用，还需要对*和->运算符进行重载

如此一来，无论是正常返回，抛异常的返回，只要SmartPtr对象的生命周期结束就会调用其对应的析构函数，进而完成内存资源的释放。

😎智能指针的原理

实现智能指针时需要考虑以下三个方面的问题：

  1. 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始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源
  2. 对*和->运算符进行重载，使得该对象具有像指针一样的行为
  3. 智能指针的拷贝问题

运用了RAII的思想：RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术

我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

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

为什么要解决智能指针对象的拷贝问题呢？

对于当前实现的SmartPtr类，如果用一个SmartPtr对象来拷贝构造另一个SmartPtr对象，或是将一个SmartPtr对象赋值给另一个SmartPtr对象，都会导致程序崩溃

int main()
{
	SmartPtr<int> sp1(new int);
	SmartPtr<int> sp2(sp1); //拷贝构造

	SmartPtr<int> sp3(new int);
	SmartPtr<int> sp4(new int);
	sp3 = sp4; //拷贝赋值
	
	return 0;
}

编译器默认生成的拷贝构造对内置类型完成值拷贝，即浅拷贝，因此用 sp1 拷贝构造 sp2 后，相当于 sp1 和 sp2 管理了同一块内存空间，当 sp1 和 sp2 析构时就会导致这块空间被释放两次

  • 那么这里可以使用深拷贝吗？不可以，违背了功能的需求
  • 智能指针就是要模拟原生指针的行为，当我们将一个指针赋值给另一个指针时，目的就是让这两个指针指向同一块内存空间，所以这里本就应该进行浅拷贝，但单纯的浅拷贝又会导致空间被多次释放，因此根据解决智能指针拷贝问题方式的不同，从而衍生出了不同版本的智能指针

二. C++中的智能指针登场

🥑auto_ptr

💥 管理权转移：资源管理权转移，不负责任的拷贝，会导致被拷贝对象悬空

int main()
{
	auto_ptr<A> ap1(new A);
	ap1->_a1++;
	ap1->_a2++;

	auto_ptr<A> ap2(ap1);
	return 0;
}

但一个对象的管理权转移后也就意味着，该对象不能再用对原来管理的资源进行访问了，否则程序就会崩溃，因此使用auto_ptr之前必须先了解它的机制，否则程序很容易出问题，很多公司也都明确规定了禁止使用auto_ptr

😎auto_ptr的模拟实现

实现步骤如下：

  • 1️⃣在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源，利用对象的生命周期来控制资源(RAII)
  • 2️⃣对*和->运算符进行重载，使auto_ptr对象具有指针一样的行为
  • 3️⃣在拷贝构造函数中，用传入对象管理的资源来构造当前对象，并将传入对象管理资源的指针置空
  • 4️⃣在拷贝赋值函数中，先将当前对象管理的资源释放，然后再接管传入对象管理的资源，最后将传入对象管理资源的指针ap置空
template<class T>
class auto_ptr
{
public:
	auto_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
		:_ptr(ap._ptr)
	{
		ap._ptr = nullptr; //管理权转移后，ap置空
	}
	
	auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)
	{
		//检测是否为自己给自己赋值
		if (this != &ap)
		{
			// 释放当前对象中资源
			if (_ptr)
				delete _ptr;

			//转移ap中资源到当前对象中
			_ptr = ap._ptr;
			ap._ptr = nullptr;
		}
		return *this;
	}

	~auto_ptr()
	{
		delete _ptr;
	}

	//像指针一样使用
	T& operator*()  //解引用
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->() //自定义类型
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

🥑unique_ptr

C++11中引入的智能指针，unique_ptr通过 防止拷贝（+ delete ）的方式解决智能指针的拷贝问题

简单粗暴，不让拷贝
void test_unique_ptr()
{
	std::unique_ptr<A> up1(new A);
	//std::unique_ptr<A> up2(up1);//出错
}

但是总会有需要拷贝的场景吧

模拟实现如下：

  1. 在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源，利用对象的生命周期来控制资源
  2. 对*和->运算符进行重载，使unique_ptr对象具有指针一样的行为
  3. 用C++98的方式将拷贝构造函数和拷贝赋值函数声明为私有（只声明不实现），或者用C++11的方式在这两个函数后面加上=delete，防止外部调用
template<class T>
class unique_ptr
{
public:
	unique_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
	{}

	//防止拷贝
	unique_ptr(unique_ptr<T>& ap) = delete;
	unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>& ap) = delete;

	~unique_ptr()
	{
		delete _ptr;
	}

	//像指针一样使用
	T& operator*()  //解引用
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->() //自定义类型
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
};

如果面试官要我们现场手撕，那我们就撕一个unique_ptr

🥑shared_ptr

🎨基本设计

是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源

  • 每一个被管理的资源都有一个对应的引用计数，通过这个引用计数记录着当前有多少个对象在管理着这块资源
  • 当新增一个对象管理这块资源时则将该资源对应的引用计数进行++，每个对象释放时，--计数
  • 最后一个析构的对象，释放资源

通过这种引用计数的方式就能支持多个对象一起管理某一个资源，也就是支持了智能指针的拷贝，并且只有当一个资源对应的引用计数减为0时才会释放资源，因此保证了同一个资源不会被释放多次

void test_shared_ptr()
{
	ljj::shared_ptr<A> sp1(new A);
	ljj::shared_ptr<A> sp2(sp1);
	sp1->_a1++;
	sp1->_a2++;

	std::cout << sp2->_a1 << ":" << sp2->_a2 << std::endl;//1 1

	sp2->_a1++;
	sp2->_a2++;
	std::cout << sp1->_a1 << ":" << sp1->_a2 << std::endl;//2 2
}

🎨模拟实现

shared_ptr的模拟实现步骤如下：

  • 1️⃣增加一个成员变量count，表示智能指针对象管理的资源对应的引用计数
  • 2️⃣在构造的时候获取资源，并将count设置为1， 说明只有一个新建的对象在管理
  • 3️⃣拷贝构造的时候，传入对象一起管理它管理的资源，同时将该资源对应的count++
  • 4️⃣在拷贝赋值函数中，先将当前对象管理的资源对应的引用计数--（如果减为0则需要释放），然后再与传入对象一起管理它管理的资源，同时需要将该资源对应的引用计数++（看下图）
  • 5️⃣析构时候需要将count--，如果减为0，彻底释放资源
  • 6️⃣对*和->运算符进行重载，使shared_ptr对象具有指针一样的行为

template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	//RAII
	shared_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
		,_pCount(new int(1))  //构造的时候设为1
	{}
	
	//拷贝构造
	shared_ptr(shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		,_pCount(sp._pCount)  //把引用指针给与，共同管理
	{
		(*_pCount)++;
	}

	// sp1 = sp5
	shared_ptr<T>& operator=(shared_ptr<T>& sp)
	{
		//防止同一块资源之间赋值
		if (_ptr != sp._ptr)
		{
			//sp的资源-- 并且判断是否要置空
			if ((*_pCount)-- == 0)
			{
				cout << "delete: " << _ptr << endl;
				delete _ptr;
				delete _pt;
			}

			//一起管理新资源，++计数
			_ptr = sp._ptr;
			_pCount = sp._pCount;
			(*_pCount)++;

			return *this;
		}
	}

	~shared_ptr()
	{
		if (--(*_pCount) == 0 && _ptr)
		{
			std::cout << "Delete" << _ptr << std::endl;
			delete _ptr;
			delete _pCount;
		}
	}

	//像指针一样使用
	T& operator*()  //解引用
	{
		return *_ptr;
	}

	T* operator->() //自定义类型
	{
		return _ptr;
	}

private:
	T* _ptr;
	int* _pCount; // 引用计数
	//int count;
};

为什么引用计数要设计成指针？放在堆区

首先count不能设置成一个int类型的成员变量，这意味着每一个对象都有属于自己的count，如果多个对象要管理一个资源的时候，岂不是乱套了？

还有就是count也不能定义成一个静态的成员变量，因为静态成员变量是所有类型对象共享的，所以无论什么类型的对象都是共用一个count

所以每个资源需要管理时，给构造函数，构造new一个引用计数指针，在堆区开辟一块空间用于存储其对应的引用计数，如果有其他对象也想要管理这个资源，那么除了将这个资源给它之外，还需要把这个引用计数也给它

🎨线程安全问题

后续补上

🎨定制删除器

当智能指针对象的生命周期结束时，所有的智能指针默认都是以delete的方式将资源释放，这是不太合适的，因为智能指针并不是只管理以new方式申请到的内存空间，智能指针管理的也可能是以new[]的方式申请到的空间，或管理的是一个文件指针

struct Node
{
	int _val;
	ljj::weak_ptr<Node> _next;
	ljj::weak_ptr<Node> _prev;

	~Node()
	{
		cout << "~Node" << endl;
	}
};
void test_shared_ptr2()
{
	std::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> n1(new Node[5]);//error

	std::shared_ptr<FILE> sp2(fopen("test.cpp", "r")); //error

	std::shared_ptr<int> n3(new int[5]);//内置类型没问题
}

这里为什么内置类型可以通过，但是自定义类型就会报错呢？ 涉及指针偏移

  • 对于内置类型，new实际在底层调用了malloc，调用delete最终还是会调用到free
  • 自定义类型（看下图）


不管它底层崩不崩，我们要匹配好：new[]的方式申请到的内存空间必须以delete[]的方式进行释放，而文件指针必须通过调用fclose函数进行释放

这时就需要用到定制删除器来控制释放资源的方式，C++标准库中的shared_ptr提供了如下构造函数：

template <class U, class D>
shared_ptr (U* p, D del);//构造函数

参数说明：

  • p：需要让智能指针管理的资源
  • del：删除器，这个删除器是一个可调用对象，比如函数指针、仿函数、lambda表达式以及被包装器包装后的可调用对象
//仿函数
template<class T>
struct DeleteArray
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

//定值删除器
void test_shared_ptr2()
{
	//仿函数对象
	std::shared_ptr<Node> n1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> n2(new Node[5], DeleteArray<Node>());

	std::shared_ptr<int> n3(new int[5], DeleteArray<int>());//内置类型没问题

	//lambda对象
	std::shared_ptr<Node> l1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> l2(new Node[5], [](Node* ptr) { delete[] ptr; });

	std::shared_ptr<int> l3(new int[5], [](int* ptr) { delete[] ptr; });

	std::shared_ptr<int> l4((int*)malloc(sizeof(12)), [](int* ptr) { free(ptr); });
	std::shared_ptr<FILE> l5(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* ptr) { fclose(ptr); });
}

最好用的肯定是lambda对象

在unique_ptr中却是在模板参数中给的，只能在模板参数中传类型，不能用lambda对象

int main()
{
	//不能用lambda
	std::unique_ptr<Node> up(new Node[5]);//error
	
	//模板中传的是类型，不是传对象不能加(),
	std::unique_ptr<Node, DeleteArray<Node>> up(new Node[5]);
}

🎃模拟删除器的实现：

  • 要在当前模拟实现的shared_ptr的基础上支持定制删除器，就只能给shared_ptr类再增加一个模板参数，在构造shared_ptr对象时就需要指定删除器的类型。然后增加一个支持传入删除器的构造函数，在构造对象时将删除器保存下来，在需要释放资源的时候调用该删除器进行释放即可。最好在设置一个默认的删除器，如果用户定义shared_ptr对象时不传入删除器，则默认以delete的方式释放资源
namespace ljj
{
	//默认删除器
	template<class T>
	class Delete
	{
		void operator()(T* ptr)
		{
			delete ptr;
		}
	};

	template<class T, class D = Delete<T>>
	class shared_ptr
	{
	public:
		void Release()
		{
			if (--(*_pCount) == 0 && _ptr)
			{
				//cout << "Delete" << _ptr << endl;
				//delete _ptr;

				//D del;
				//del(_ptr);
				D()(_ptr);//无参构造对象，operator()去决定，是free还是delete等等
				delete _pCount;
			}
		}

		~shared_ptr()
		{
			Release();
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _pCount; // 引用计数
	};
}

🥑weak_ptr

💦shared_ptr的循环引用问题

shared_ptr的循环引用问题在一些特定的场景下才会产生。比如定义如下的结点类，并在结点类的析构函数中打印一句提示语句，便于判断结点是否正确释放

struct Node
{
	int _val;
	std::shared_ptr<Node> _next;
	std::shared_ptr<Node> _prev;

	~Node()
	{
		cout << "~Node" << endl;
	}
};

现在以new的方式在堆上构建两个结点，并将这两个结点连接起来，又为了防止抛异常我们把类型改成智能指针

struct Node
{
	int _val;
	std::shared_ptr<Node> _next;
	std::shared_ptr<Node> _prev;

	~Node()
	{
		cout << "~Node" << endl;
	}
};
int main()
{
	std::shared_ptr<Node> n1 (new Node);
	std::shared_ptr<Node> n2 (new Node);

	n1->_next = n2;  //智能指针和原生指针不能直接赋值
	n2->_prev = n1;
	//...
	return 0;
}

此时两个结点都没有被释放，但如果去掉连接结点时的两句代码中的任意一句，那么这两个结点就都能够正确释放，根本原因就是因为这两句连接结点的代码导致了循环引用

下面来一探究竟吧

循环引用导致资源未被释放的原因： 很绕！

  1. n2先析构，n1再析构，所以引用计数都变成了1
  2. 右边的节点释放取决于_next析构，_next什么时候析构取决于左边节点的析构（作为成员）；
  3. 左边节点的析构取决于_prev的析构，prev什么时候析构取决于右边节点的析构；右边的节点释放又取决于_next析构

二者互相纠缠，对此shared_ptr也是无能为力，又要引进一员大将weak_ptr

💦weak_ptr解决循环引用

weak_ptr就是shared_ptr的小跟班，不是常规智能指针，没有RAII，不支持直接资源管理

  • weak_ptr主要用shared_ptr构造，用来解决引用问题：构造出来的 weak_ptr对象不参与资源释放管理，可以访问和修改资源，但不会增加这块资源对应的引用计数

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

原理就是：node1->_next = node2;和node2->_prev = node1;时weak_ptr的_next和
_prev不会增加node1和node2的引用计数，引用计数都是1，就可以按先后顺序释放了

struct Node
{
	int _val;
	std::weak_ptr<Node> _next;
	std::weak_ptr<Node> _prev;

	~Node()
	{
		cout << "~Node" << endl;
	}
};

//循环引用
void test_weak_ptr()
{
	std::shared_ptr<Node> n1 (new Node);
	std::shared_ptr<Node> n2 (new Node);

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;

	n1->_next = n2;  //智能指针和原生指针不能直接赋值;所以next变成智能指针
	n2->_prev = n1;

	cout << n1.use_count() << endl;
	cout << n2.use_count() << endl;
}

通过use_count获取这两个资源对应的引用计数就会发现，在结点连接前后这两个资源对应的引用计数就是1，根本原因就是weak_ptr不会增加管理的资源对应的引用计数

🎃weak_ptr的模拟实现

  1. 提供一个无参的构造函数、shared_ptr对象拷贝构造、weak_ptr对象拷贝赋值、shared_ptr对象拷贝赋值给weak_ptr

  2. 对*和->运算符进行重载，使weak_ptr对象具有指针一样的行为

//辅助型智能指针，配合解决shared_ptr的循环引用问题
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
	weak_ptr()    //无参
		:_ptr(nullptr)
	{}

	weak_ptr(const weak_ptr<T>& wp)  //weak类型构造
		:_ptr(wp._ptr)
	{}

	weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp) //shared_ptr类型构造
		:_ptr(sp.get())
	{}

	weak_ptr<T>& operator= (const shared_ptr<T>& sp)
	{
		_ptr = sp.get();
		return *this;
	}


	//像指针一样使用
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

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

private:
	T* _ptr;
};

注意： shared_ptr还会提供一个get函数，用于获取其管理的_ptr

C++11和boost中智能指针的关系

  1. C++98中产生了第一个智能指针auto_ptr
  2. C++boost给出了更实用的scoped_ptr、shared_ptr和weak_ptr
  3. C++TR1，引入了boost中的shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版
  4. C++11，引入了boost中的unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是，unique_ptr对应的就是boost中的scoped_ptr，并且这些智能指针的实现原理是参考boost中实现的

说明一下：boost库是为C++语言标准库提供扩展的一些C++程序库的总称，boost库社区建立的初衷之一就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现，比如在送审C++标准库TR1中，就有十个boost库成为标准库的候选方案。

常见面试题

  1. 为什么需要智能指针？ —— 忘记释放/异常安全
  2. RAII是什么？
  3. 发展历史
  4. auto_ptr/unique_ptr/shared_ptr/weak_ptr之间区别和使用场景
  5. 模拟实现简洁版的智能指针（没说就实现unique，不然就是shared的）
  6. 什么是循环引用？如何解决循环引用？解决的原理是什么？

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