【C++进阶】智能指针

1.为什么需要智能指针

分析下面代码，是否有什么内存问题？？？

void Func()
{int* p1 = new int[10];int* p2 = nullptr;try{p2 = new int[20];try{int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl; // throw}catch (...){delete[] p1;cout << "delete:" << p1 << endl;delete[] p2;cout << "delete:" << p2 << endl;throw;  // 捕获什么抛出什么}}catch (...){delete[] p1;cout << "delete:" << p1 << endl;throw;}delete[] p1;cout << "delete:" << p1 << endl;delete[] p2;cout << "delete:" << p2 << endl;
}

当然上面乍一看代码是没问题的，但如果我们在p1申请内存时就抛异常呢，程序被异常终止，那后面的代码就通通跑不到了啊！！！，内存没有被释放，终究会造成内存泄漏！！！

2.内存泄漏

2.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害

什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存的情况。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死。

2.2 内存泄漏分类

C/C++一般我们只关心两方面的内存泄漏问题

堆内存泄漏

堆内存指的是程序执行中依据须要分配通过malloc / calloc / realloc /
new等从堆中分配的一块内存，用完后必须通过调用相应的 free或者delete删掉。假设程序的设计错误导致这部分内存没有被释放，那么以后这部分空间将无法再被使用，就会产生Heap Leak。

系统资源泄漏

指程序使用系统分配的资源，比方套接字、文件描述符、管道等没有使用对应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能减少，系统执行不稳定。

2.3 如何避免内存泄漏

1. 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
2. 采用RAII思想或者智能指针来管理资源。
3. 有些公司内部规范使用内部实现的私有内存管理库。这套库自带内存泄漏检测的功能选项。
4. 出问题了使用内存泄漏工具检测。不过很多工具都不够靠谱，或者收费昂贵。

总结一下:
内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：

1. 事前预防型。如智能指针等。
2. 事后查错型。如泄漏检测工具。

3.智能指针的使用及原理

3.1 RAII

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。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。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托给了一个对象。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。

template<class T>
class SmartPtr
{
public:SmartPtr(T* ptr):_ptr(ptr){}~SmartPtr(){delete[] _ptr;cout << "delete:" << _ptr << endl;}T* get(){return _ptr;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}T& operator[](size_t i){return _ptr[i];}
private:T* _ptr;
};double Division(int a, int b)
{if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
void Func()
{SmartPtr<int> sp1(new int[10]);SmartPtr<int> sp2(new int[20]);int len, time;cin >> len >> time;cout << Division(len, time) << endl;
}int main()
{//SmartPtr sp1(new int[10]);try{Func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}catch (...){cout << "未知异常" << endl;}return 0;
}

3.2 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。

3.3 std::auto_ptr

auto_ptr文档介绍
auto_ptr是C++98就提供的比较老的智能指针了，这样的指针指针一经出现就使得众公司纷纷下达禁令，严禁使用该智能指针，这是为什么？？
懂得auto_ptr的原理你就明白了！！！
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想！！！

int main()
{auto_ptr<int> sp1(new int(1));// C++98 转移管理权，sp1对象悬空auto_ptr<int> sp2(sp1);*sp1 += 1;return 0;
}

内部其实就是在拷贝构造时，把sp1置空，sp2直接指向sp1所指向的内容！！！
表面看没问题啊！！！，也没发生内存泄漏的？？？
你看sp1拷贝构造给sp2，sp1是局部变量，是左值，我们只有对右值即将亡值才会放心的把管理权转移，而左值是不可以的，万一左值被解引用了呢？？？

3.4 std::unique_ptr

unique_ptr文档介绍
所以C++11又提供了一系列更靠谱的智能指针！！！
第一个是unique_ptr。unique_ptr实现原理简单除暴，直接把拷贝构造，赋值重载给屏蔽掉，使用了delete！！！

unique_ptr(const unique_ptr<T>&sp) = delete;
unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>&sp) = delete;

class A
{
public:A(int a1, int a2):_a1(a1), _a2(a2){}~A(){cout << "~A()" << endl;}//private:int _a1 = 1;int _a2 = 1;
};int main()
{unique_ptr<A> sp1(new A(1, 1));//unique_ptr<A> sp2(sp1);A* p = sp1.get();cout << p << endl;//sp1->_a1++;//sp1->_a2++;/*sp1[1]._a1++;sp1[1]._a2++;*/return 0;
}

3.5 std::shared_ptr

shared_ptr文档介绍
C++11shared_ptr开始提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr。

shared_ptr的原理：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。例如：
放学时，老师都会提醒最后一个走的同学记得关灯，记得把门锁一下等等。

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。

代码模拟实现：

// 引用计数支持多个拷贝管理同一个资源，最后一个析构对象释放资源
#pragma once
#include<atomic>
template<class T>
class SharedPtr
{
public:SharedPtr(T* ptr):_ptr(ptr),_pcount(new atomic<int>(1)){}//spt2(spt1)SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp):_ptr(sp._ptr),_pcount(sp._pcount){(*_pcount)++;}//spt2 = spt1const SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp){if (_ptr != sp._ptr)//防止sp2与sp1指向的是相同的资源，例如sp1=sp1{this->release();//释放自己的资源接受对方的资源_ptr = sp._ptr;_pcount = sp._pcount;(*_pcount)++;}return *this;}void release(){if (--(*_pcount) == 0){//由最后一个管理资源的释放delete _ptr;delete _pcount;}}~SharedPtr(){release();}int use_count(){return *_pcount;}T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}
private:T* _ptr;atomic<int>* _pcount;
};

使用:

//库中的使用
int main()
{shared_ptr<A> sp1(new A(1, 1));shared_ptr<A> sp2(sp1);shared_ptr<A> sp3 = make_shared<A>(1, 1);cout << sp1.use_count() << endl;{shared_ptr<A> sp3(sp1);cout << sp1.use_count() << endl;}cout << sp1.use_count() << endl;return 0;
}
//模拟实现代码测试
#include"SharedPtr.h"int main()
{SharedPtr<A> sp1(new A(1, 1));SharedPtr<A> sp2(sp1);cout << sp1.use_count() << endl;SharedPtr<A> sp3(new A(2, 2));SharedPtr<A> sp4(sp3);SharedPtr<A> sp5(sp4);cout << sp3.use_count() << endl;sp1 = sp3;sp2 = sp3;SharedPtr<A> sp6(new A(3, 3));sp6 = sp6;sp3 = sp4;return 0;
}

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++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。

#include<mutex>
#include<list>
#include"SharedPtr.h"
mutex mtx;// 智能指针对象本身拷贝析构是线程安全的
// 底层引用计数加减是线程安全的
// 指向的资源访问不是线程安全的
void func(SharedPtr<list<int>> sp, int n)
{cout << sp.use_count() << endl;for (int i = 0; i < n; i++){SharedPtr<list<int>> copy1(sp);SharedPtr<list<int>> copy2(sp);SharedPtr<list<int>> copy3(sp);mtx.lock();sp->emplace_back(i);mtx.unlock();}
}int main()
{SharedPtr<list<int>> sp1(new list<int>);cout << sp1.use_count() << endl;thread t1(func, sp1, 1000000);thread t2(func, sp1, 2000000);t1.join();t2.join();cout << sp1->size() << endl;cout << sp1.use_count() << endl;return 0;
}

循环引用
shared_ptr是有缺陷的，当shared_ptr出现循环引用时会造成内存泄漏，所以shared_ptr是有缺陷与局限性的，那什么是循环引用呢？

代码：

struct Node
{shared_ptr<Node> _next;shared_ptr<Node> _prev; int _val;~Node(){cout << "~Node()" << endl;}
};int main()
{shared_ptr<Node> p1(new Node);shared_ptr<Node> p2(new Node);cout << p1.use_count() << endl;cout << p2.use_count() << endl;p1->_next = p2;p2->_prev = p1;cout << p1.use_count() << endl;cout << p2.use_count() << endl;return 0;
}

循环引用分析：

1. p1和p2两个智能指针对象指向两个节点，我们不需要delete，引用计数为1。
2. p1的_next指向p2，p2的_prev指向p1,引用计数变为2。
3. 程序结束时p1,p2析构，引用计数减到1，但引用计数虽–了，p1仍指向p2，p2仍指向p1没有释放。
4. 也就是说_next释放了，p1才会释放，_prev释放了p2才会释放。
5. 但是_next属于p1的成员，_prev属于p2的成员，p1,p2释放了_next,_prev才会释放p1p2各自管理自己的成员，所以造成了循环引用，谁也不会释放！！！

3.6 std::weak_ptr

所以就需要有weak_ptr,weak_ptr可以完美的解决循环引用的问题。
原理就是：p1,p2的_next,_prev在指向时，不会增加p1,p2的引用计数！！！
weak_ptr的构造可以传入一个shared_ptr对象

代码：

struct Node
{weak_ptr<Node> _next;weak_ptr<Node> _prev;int _val;~Node(){cout << "~Node()" << endl;}
};int main()
{shared_ptr<Node> p1 = make_shared<Node>();shared_ptr<Node> p2 = make_shared<Node>();cout << p1.use_count() << endl;cout << p2.use_count() << endl;p1->_next = p2;p2->_prev = p1;cout << p1.use_count() << endl;cout << p2.use_count() << endl;cout << p1->_next.use_count() << endl;cout << p2->_prev.use_count() << endl;return 0;
}

Node中的_next,_prev的指向不会影响p1,p2的引用计数。

3.7 智能指针的删除器

如果不是new出来的对象如何通过智能指针管理呢？其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这
个问题。（了解）

class A
{
public:A() {};A(int a1, int a2):_a1(a1), _a2(a2){}~A(){cout << "~A()" << endl;}//private:int _a1 = 1;int _a2 = 1;
};
template<class T>
struct FreeFunc {void operator()(T* ptr){cout << "free:" << ptr << endl;free(ptr);}
};
// 定制删除器
int main()
{//std::shared_ptr<A[]> sp1(new A[10]);shared_ptr<A> sp1(new A[10], [](A* ptr) {delete[] ptr; });shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), FreeFunc<int>());shared_ptr<FILE> sp3(fopen("test.txt", "w"), [](FILE* ptr) {fclose(ptr); });shared_ptr<A> sp4(new A);return 0;
}