C++智能指针

1. 为什么需要智能指针

大家来看下面这段程序我们new 了两个array

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Division by zero condition!";
	}
	return (double)a / (double)b;
}
void Func()
{
	int* array1 = new int[10];
	int* array2 = new int[10];
	try 
	{
		int len, time;
		cin >> len >> time;
		cout << Division(len, time) << endl;
	}
	catch (...)
	{
		cout << "delete []" << array1 << endl;
		delete[] array1;		
		cout << "delete []" << array2 << endl;
		delete[] array2;
		throw;//异常重新抛出catch(...) 捕获到什么抛什么
	}
 
	cout << "delete []" << array1 << endl;
	delete[] array1;
	cout << "delete []" << array2 << endl;
	delete[] array2;
}
int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	return 0;
}

我们发现了一个问题

如果我们在array2 位置new 失败抛异常呢？array1 不就没有释放了，则会造成内存泄漏。

所以这里我们需要想办法把array2抛出的异常捕获，然后释放array1 。但这并不是最好的解决方案。不过在这之前我们先来了解了解内存泄漏。

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++程序中一般我们关心两种方面的内存泄漏：

堆内存泄漏(Heap leak)

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。ps：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。ps：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.

使用RAII思想设计的SmartPtr类:

template<class T>
class Smartptr
{
public:
	Smartptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{ }

	~Smartptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
		}
	}

private:
	T* _ptr;
};

整体代码：

template<class T>
class Smartptr
{
public:
	Smartptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{ }

	~Smartptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
		}
	}

private:
	T* _ptr;
};

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Division by zero condition!";
	}
	return (double)a / (double)b;
}

struct A
{
	~A()
	{
		cout << "A~" << endl;
	}
};

void Func()
{
	A* array1 = new A;
	A* array2 = new A;
	Smartptr<A> sp1(array1);
	Smartptr<A> sp2(array2);

	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}


int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& err)
	{
		cout << err.what() << 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。

template<class T>
class Smartptr
{
public:
	Smartptr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{ }

	~Smartptr()
	{
		if (_ptr)
		{
			delete _ptr;
		}
	}
	T& operator*()
	{
		return *_ptr;
	}

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

private:
	T* _ptr;
};

double Division(int a, int b)
{
	// 当b == 0时抛出异常
	if (b == 0)
	{
		throw "Division by zero condition!";
	}
	return (double)a / (double)b;
}

struct Date
{
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{ }


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

	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

void Func()
{
	Date* D1 = new Date;
	Date* D2 = new Date;
	Smartptr<Date> sp1(D1);
	Smartptr<Date> sp2(D2);
	cout << sp1->_year << " " << sp1->_month << " " << sp1->_day << endl;
	cout << (*sp2)._year << " " << (*sp2)._month << " " << (*sp2)._day << endl;
	int len, time;
	cin >> len >> time;
	cout << Division(len, time) << endl;
}


int main()
{
	try
	{
		Func();
	}
	catch (const char* errmsg)
	{
		cout << errmsg << endl;
	}
	catch (const exception& err)
	{
		cout << err.what() << endl;
	}
	return 0;
}

这样写看似没什么问题，但是拷贝会非常难受。

这样就会释放两次导致报错进程终止。 C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。

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

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面演示的auto_ptr的使用及问题。

auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想。

所以他是可以拷贝构造的。

我们用ap2 去访问是没有问题的，但我们用ap1访问呢？

发生了报错

这是因为auto_ptr的实现原理是管理权转移的思想。如果我们两个都管理着D1，资源就会析构两次然后报错。管理权转移就是把ap1的管理权给ap2，让ap2来管。

结论：拷贝时，管理权限转移，被拷贝悬空，auto_ptr是一个失败设计。

实现：

namespace bit
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
		{
			// 管理权转移
			sp._ptr = nullptr;
		}
		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 = NULL;
			}
			return *this;
		}
		~auto_ptr()
		{
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		// 像指针一样使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
	private:
		T* _ptr;
	};
}

3.4 std::unique_ptr

C++11中开始提供更靠谱的unique_ptr

unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝。

namespace bit
{
	template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}
		~unique_ptr() {
			if (_ptr)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				delete _ptr;
			}
		}
		// 像指针一样使用
		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}
		T* operator->()
		{
			return _ptr;
		}
		unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp) = delete;
	private:
		T* _ptr;
	};
}

unique_ptr如果针对多个对象呢？

我们可以传一个定制的删除器。

有了定制删除器我们就可以这样写：

除了传一个定制删除器以外我们还可以走一个特化版本：

3.5 std::shared_ptr

C++11中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：比特老师晚上在下班之前都会通知，让最后走的学生记得把门锁下。

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。
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。
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；
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。

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

除了拷贝构造这个点以外，它与unique_ptr 还是有些不同的。

可以看到它只有一个模板参数。那他要怎样释放多个对象的指针呢？

所有它与unique_ptr 的删除器传递还是略有不同的。

make_shared 的使用。

模拟实现（干活吗满满）：

namespace bit
{
	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			,_pcount(new int(1))
		{ }

		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D def)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			, _def(def)
		{ }

		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			,_pcount(sp._pcount)
			,_def(sp._def)
		{
			++(*_pcount);
		}

		shared_ptr& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr != sp._ptr)
			{
				release();//再赋值之前要先先判断原来的空间需不需要释放
				_ptr = sp._ptr;
				_pcount = sp._pcount;
				_def = sp._def;
				++(*_pcount);
			}
			return *this;
		}

		int use_count()
		{
			return *_pcount;
		}

		T* get()
		{
			return _ptr;
		}

		void release()//将释放内存的函数用release封装起来
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				_def(_ptr);
				delete _pcount;
				_ptr = nullptr;
				_pcount = nullptr;
			}
		}

		~shared_ptr()
		{
			release();
		}

		T& operator*()
		{
			return *_ptr;
		}

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

	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;
		//传递的删除器用function 来接收
		function<void(T* ptr)> _def = [](T* ptr){delete ptr;};
	};
}

std::shared_ptr的循环引用

struct ListNode
{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;//如果用listnode* 指针则指向不了
	~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;
}

我们可以看到ListNode 会正常调用析构。

这段代码结束后并没有调用析构，造成了内存泄漏。

是什么原因呢我们来分析一下：

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。

库里面是如何解决这个问题呢？

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。