C++ 智能指針

C++ 智能指針

這裏介紹c++裏面的四個智能指針: auto_ptr, shared_ptr, weak_ptr（[wiːk]）, unique_ptr（[juː’niːk]） 其中後三個是c++11支持，並且第一個已經被c++11棄用。

爲什麼要使用智能指針：我們知道c++的內存管理是讓很多人頭疼的事，當我們寫一個new語句時，一般就會立即把delete語句直接也寫了，但是我們不能避免程序還未執行到delete時就跳轉了或者在函數中沒有執行到最後的delete語句就返回了，如果我們不在每一個可能跳轉或者返回的語句前釋放資源，就會造成內存泄露。使用智能指針可以很大程度上的避免這個問題，因爲智能指針就是一個類，當超出了類的作用域是，類會自動調用析構函數，析構函數會自動釋放資源。下面我們逐個介紹。

auto_ptr

智能指針可以像類的原始指針一樣訪問類的public成員，成員函數get()返回一個原始的指針，成員函數reset()重新綁定指向的對象，而原來的對象則會被釋放。
注意我們訪問auto_ptr的成員函數時用的是“.”，訪問指向對象的成員時用的是“->”。我們也可用聲明一個空智能指針auto_ptrptest();

當我們對智能指針進行賦值時，如ptest2 = ptest，ptest2會接管ptest原來的內存管理權，ptest會變爲空指針，如果ptest2原來不爲空，則它會釋放原來的資源，基於這個原因，應該避免把auto_ptr放到容器中，因爲算法對容器操作時，很難避免STL內部對容器實現了賦值傳遞操作，這樣會使容器中很多元素被置爲NULL。

判斷一個智能指針是否爲空不能使用if(ptest == NULL)，應該使用if(ptest.get() == NULL)，如下代碼
C++ auto_ptr<Test> ptest(new Test("123")); auto_ptr<Test> ptest2(new Test("456")); ptest2 = ptest; ptest2->print(); if(ptest.get() == NULL)cout<<"ptest = NULL\n"; return 0;

	**還有一個值得我們注意的成員函數是release，這個函數只是把智能指針賦值爲空，但是它原來指向的內存並沒有被釋放，相當於它只是釋放了對資源的所有權。**
	
	那麼當我們想要在中途釋放資源，而不是等到智能指針被析構時才釋放，我們可以使用ptest.reset(); 語句。

unique_ptr

unique_ptr,是用於取代c++98的auto_ptr的產物,在c++98的時候還沒有移動語義(move semantics)的支持,因此對於auto_ptr的控制權轉移的實現沒有核心元素的支持,但是還是實現了auto_ptr的移動語義,這樣帶來的一些問題是拷貝構造函數和複製操作重載函數不夠完美,具體體現就是把auto_ptr作爲函數參數,傳進去的時候控制權轉移,轉移到函數參數,當函數返回的時候並沒有一個控制權移交的過程,所以過了函數調用則原先的auto_ptr已經失效了。

在c++11當中有了移動語義,使用move()把unique_ptr傳入函數,這樣你就知道原先的unique_ptr已經失效了。移動語義本身就說明了這樣的問題,比較坑爹的是標準描述是說對於move之後使用原來的內容是未定義行爲,並非拋出異常,所以還是要靠人肉遵守遊戲規則。再一個,auto_ptr不支持傳入deleter,所以只能支持單對象(delete object),而unique_ptr對數組類型有偏特化重載,並且還做了相應的優化,比如用[]訪問相應元素等.

unique_ptr 是一個獨享所有權的智能指針，它提供了嚴格意義上的所有權，包括：

			1、擁有它指向的對象
			2、無法進行復制構造，無法進行復制賦值操作。即無法
			使兩個unique_ptr指向同一個對象。但是可以進行移動構
			造和移動賦值操作（形參那裏是&&，也就是說支持右值）
			3、保存指向某個對象的指針，當它本身被刪除釋放的時
			候，會使用給定的刪除器釋放它指向的對象

unique_ptr 可以實現如下功能：

			1、爲動態申請的內存提供異常安全
			2、講動態申請的內存所有權傳遞給某函數
			3、從某個函數返回動態申請內存的所有權
			4、在容器中保存指針
			5、auto_ptr 應該具有的功能

	```C++
			unique_ptr<Test> fun()
			{
			    return unique_ptr<Test>(new Test("789"));
			}
			int main()
			{
			    unique_ptr<Test> ptest(new Test("123"));
			    unique_ptr<Test> ptest2(new Test("456"));
			    ptest->print();
			    ptest2 = std::move(ptest);//不能直接ptest2 = ptest
			    if(ptest == NULL)cout<<"ptest = NULL\n";
			    Test* p = ptest2.release();
			    p->print();
			    ptest.reset(p);
			    ptest->print();
			    ptest2 = fun(); //這裏可以用=，因爲使用了移動構造函數
			    ptest2->print();
			    return 0;
			}
	```

unique_ptr 和 auto_ptr用法很相似，不過不能使用兩個智能指針賦值操作，應該使用std::move; 而且它可以直接用if(ptest == NULL)來判斷是否空指針；

release、get、reset等用法也和auto_ptr一致，使用函數的返回值賦值時，可以直接使用=, 這裏使用c++11 的移動語義特性。

另外注意的是當把它當做參數傳遞給函數時（使用值傳遞，應用傳遞時不用這樣），傳實參時也要使用std::move,比如foo(std::move(ptest))。

它還增加了一個成員函數swap用於交換兩個智能指針的值。

shared_ptr

從名字share就可以看出了資源可以被多個指針共享，它使用計數機制來表明資源被幾個指針共享。可以通過成員函數use_count()來查看資源的所有者個數。除了可以通過new來構造，還可以通過傳入auto_ptr, unique_ptr,weak_ptr來構造。當我們調用release()時，當前指針會釋放資源所有權，計數減一。當計數等於0時，資源會被釋放。

實現：
構造函數中計數初始化爲1；
拷貝構造函數中計數值加1；
賦值運算符中，左邊的對象引用計數減一，右邊的對象引用計數加一；
析構函數中引用計數減一；
在賦值運算符和析構函數中，如果減一後爲0，則調用delete釋放對象。

	```C++
			int main()
			{
			    shared_ptr<Test> ptest(new Test("123"));
			    shared_ptr<Test> ptest2(new Test("456"));
			    cout<<ptest2->getStr()<<endl;
			    cout<<ptest2.use_count()<<endl;
			    ptest = ptest2;//"456"引用次數加1，“123”銷燬
			    ptest->print();
			    cout<<ptest2.use_count()<<endl;//2
			    cout<<ptest.use_count()<<endl;//2
			    ptest.reset();
			    ptest2.reset();//此時“456”銷燬
			    cout<<"done !\n";
			    return 0;
			}
	```

weak_ptr

**weak_ptr是用來解決shared_ptr相互引用時的死鎖問題，如果說兩個shared_ptr相互引用，那麼這兩個指針的引用計數永遠不可能下降爲0，資源永遠不會釋放。**它是對對象的一種弱引用，不會增加對象的引用計數，和shared_ptr之間可以相互轉化，shared_ptr可以直接賦值給它，它可以通過調用lock函數來獲得shared_ptr。

	```C++
			class B;
			class A
			{
			public:
			    shared_ptr<B> pb_;
			    ~A()
			    {
			        cout<<"A delete\n";
			    }
			};
			class B
			{
			public:
			    shared_ptr<A> pa_;
			    ~B()
			    {
			        cout<<"B delete\n";
			    }
			};
			 
			void fun()
			{
			    shared_ptr<B> pb(new B());
			    shared_ptr<A> pa(new A());
			    pb->pa_ = pa;
			    pa->pb_ = pb;
			    cout<<pb.use_count()<<endl;
			    cout<<pa.use_count()<<endl;
			}
			 
			int main()
			{
			    fun();
			    return 0;
			}
	```

可以看到fun函數中pa ，pb之間互相引用，兩個資源的引用計數爲2，當要跳出函數時，智能指針pa，pb析構時兩個資源引用計數會減一，但是兩者引用計數還是爲1，導致跳出函數時資源沒有被釋放（A B的析構函數沒有被調用），如果把其中一個改爲weak_ptr就可以了，我們把類A裏面的shared_ptr pb_; 改爲weak_ptr pb_; 這樣的話，資源B的引用開始就只有1，當pb析構時，B的計數變爲0，B得到釋放，B釋放的同時也會使A的計數減一，同時pa析構時使A的計數減一，那麼A的計數爲0，A得到釋放。

注意的是我們不能通過weak_ptr直接訪問對象的方法，比如B對象中有一個方法print()，我們不能這樣訪問，pa->pb_->print(); 英文pb_是一個weak_ptr，應該先把它轉化爲shared_ptr，如：shared_ptr p = pa->pb_.lock(); p->print();