c/c++语言开发共享c++智能指针，从初学到入门

1.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问题？

#include <vector>  void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp){     if (left >= right)          return;     int mid = left + ((right - left) >> 1);     // [left, mid]     // [mid+1, right]          _MergeSort(a, left, mid, tmp);     _MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);         int begin1 = left, end1 = mid;     int begin2 = mid + 1, end2 = right;     int index = left;          while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2){         if (a[begin1] < a[begin2])             tmp[index++] = a[begin1++];         else             tmp[index++] = a[begin2++];     }          while (begin1 <= end1)         tmp[index++] = a[begin1++];               while (begin2 <= end2)         tmp[index++] = a[begin2++];          memcpy(a + left, tmp + left, sizeof(int)*(right - left + 1)); } void MergeSort(int* a, int n){     int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);     _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);          // 这里假设处理了一些其他逻辑     vector<int> v(1000000000, 10);     // ...     // free(tmp); } int main(){     int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };     MergeSort(a, 5);     return 0; } 

问题分析：

1. malloc出来的空间，没有进行是释放，存在内存泄漏问题
2. 异常安全问题。如果在malloc和free之间如果存在抛异常，那么还是有内存泄漏。这种问题就叫异常安
   全。

2智能指针的使用及原理

RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源（内存，文件句柄，互斥量等）的简单技术
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保持始终有效，最后在对象西沟的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给一个对象，这样做有两个好处：

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

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类 template<class T> class SmartPtr {     public:         SmartPtr(T* ptr = nullptr)             : _ptr(ptr)         {}         ~SmartPtr()         {             if(_ptr)                 delete _ptr;         }     private:         T* _ptr;     }; void MergeSort(int* a, int n) {     int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);     // 讲tmp指针委托给了sp对象，用时老师的话说给tmp指针找了一个可怕的女朋友！天天管着你，直到你go     //die^^     SmartPtr<int> sp(tmp);     // _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);     // 这里假设处理了一些其他逻辑     vector<int> v(1000000000, 10);     // ...     } int main() {     try {         int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };         MergeSort(a, 5);     }     catch(const exception& e)     {         cout<<e.what()<<endl;     }     return 0; } 

2.2智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将 、->重载下，才可让其像指针一样去使用。*
总结一下智能指针的原理：

1. RAII特性
2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

auto_ptr(C++98)

实现原理：管理权转移的思想，下面简化模拟实现一份AutoPtr来了解它的原理

#include <iostream> #include <memory>  using namespace std;  template<class T> class AutoPtr{     public:         AutoPtr(T* ptr = nullptr)             :_ptr(ptr)         {}                  ~AutoPtr(){             if(_ptr)                 delete _ptr;         }          //一旦发生拷贝，将ap中资源转移到当前对象中，然后令ap与其所管理资源断开联系         //这样就解决了一块空间被多个对象使用造成的程序崩溃问题         AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)             :_ptr(ap._ptr)         {             ap._ptr = nullptr;         }           AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap){             //检测是否给自己辅值             if(this != &ap){                 //释放当前对象的资源                 if(_ptr)                     delete _ptr;                                  //转移ap资源到当前对象中                 _ptr = ap._ptr;                 ap._ptr = nullptr;             }             return *this;         }          T& operator*(){             return *_ptr;         }          T& operator->(){             return _ptr;         }     private:         T* _ptr; };  class Date{     public:         Date(){             cout << "Date()" << endl;         }         ~Date(){             cout << "~Date()" << endl;         }         public:         int _year;         int _month;         int _day; };  int main(){     AutoPtr<Date> ap(new Date);      //拷贝后把ap对象赋空了，导致ap对象悬空     //通过ap对象访问资源时就会报错     AutoPtr<Date> copy(ap);     ap->_year = 2020;      return 0; } 

unique_ptr(C++11)

实现原理：简单粗暴的防拷贝，下面简化模拟实现一份UniquePtr来了解它的原理

template<class T> class UniquePtr{     public:         UniquePtr(T* ptr = nullptr)             :_ptr(ptr)         {}          ~UniquePtr(){             if(_ptr)                 delete _ptr;         }          T& operator*(){             return *_ptr;         }          T& operator->(){             return _ptr;         }      private:         UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;         UniquePtr& operator=(UniquePtr<t> const &) = delete;          T* _ptr; }; 

shared_ptr(C++11)

实现原理：通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间的共享资源

1. shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
2. 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
3. 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；
4. 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

模拟实现一份简单地SharedPtr，了解原理

template<class T> class SharedPtr{     public:         SharedPtr(T* ptr = nullptr)             :_ptr(ptr)             ,_pRefCount(new int(1))             ,_pMutex(new mutex)         {}          ~SharedPtr(){             Release();         }          SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)             :_ptr(sq._ptr)             ,_pRefCount(sq._pRerCount)             ,_pMutex(sq._pMutex)         {             AddRefCount();         }          //sp1 = sp2         SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp){             if(_ptr != sp._ptr){                 //释放管理的就资源                 Release();                  //共享管理新对象的资源，增加引用计数                 _ptr = sp._ptr;                 _pRefCount = sp._pRefCount;                 _pMutex = sp._pMutex;                  AddRefCount();             }             return *this;         }          T& operator*(){             return *_ptr;         }                  T& operator->(){             return _ptr;         }          int UseCount(){             retrun _pRefCount;         }                  T* Get(){             return _ptr;         }          void AddRefCount(){             //加锁或者使用加一的原子操作             _pMutex->lock();             ++_pRefCount;             _pMutex->unlock();         }      private:         void Release(){             bool deletefalg = false;              //引用计数减一，如果为0，则释放资源             _pMutex.lock();             if(--(*_pRefCount) == 0){                 delete _ptr;                 delete _pRefCount;                 deletefalg = true;             }             _pMutex.unlock();              if(deletefalg == true)                 delete _pMutex;         }     private:         T* _ptr;    //指向管理资源的指针         int* _pRefCount; //引用计数         mutex* _pMutex;     //互斥锁 }; 

shared_ptr的线程安全问题

通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

1. 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或-这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
2. 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。

shared_ptr的循环引用

struct ListNode {     int _data;     shared_ptr<ListNode> _prev;     shared_ptr<ListNode> _next;          ~ListNode(){ cout << "~ListNode()" << endl; } }; int main(){     shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);     shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);     cout << node1.use_count() << endl;     cout << node2.use_count() << endl;          node1->_next = node2;     node2->_prev = node1;          cout << node1.use_count() << endl;     cout << node2.use_count() << endl;     return 0; } 

循环引用分析：

1. node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
2. node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
3. node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
4. 也就是说_next析构了，node2就释放了。
5. 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
6. 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。

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

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