智能指针

智能指针的作用

C++程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。

理解智能指针需要从下面三个层次：

1. 从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
2. 智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
3. 智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义

智能指针和管理的对象分别在哪个区

智能指针本身在栈区，托管的资源在堆区，利用了栈对象超出生命周期后自动析构的特征，所以无需手动delete释放资源。

智能指针对象位于栈内存，管理一个堆内存的对象，当智能指针对象的生命周期结束后，会在析构函数中释放掉管理的堆内存资源，从而防止堆内存对象内存泄漏。

unique_ptr能否被另一个unique_ptr拷贝呢？

• 不能，因为它把它的拷贝构造函数private了。但是它提供了一个移动构造函数，所以可以通过std::move将指针指向的对象交给另一个unique_ptr，转交之后自己就失去了这个指针对象的所有权，除非被显示交回。

unique_ptr = unique_ptr和shared_ptr=shared_ptr这两个操作有什么后果呢？

对于unique_ptr` ：

• 这个操作是不允许的，因为unique_ptr它的原理是将拷贝构造和拷贝赋值私有化，但是它提供了移动构造和移动赋值。所以如果你想要使用=赋值，必须先把右边的用std::move包裹一下，这样右边的unique_ptr就会失去所有权，左边的unique_ptr就会得到对应对象的所有权

至于shared_ptr：

• 对于左边的指针，它会将自己的引用计数减一，然后检测一下是不是减到了0，如果是，那么delete所管理的对象
• 然后将右边的引用计数和管理对象赋值给左边，此时两边指向同一个对象，共享同一个引用计数，然后引用计数++

shared_ptr的移动赋值时发生了什么事情

• 首先它会检查本指针和参数指针是不是同一个对象，如果是，直接返回
• 然后，先把本指针的引用变量–1，如果发现减到了0，就把参数指针和参数引用变量析构掉并置NULL
• 最后，本指针和参数指针指向同一个对象以及引用计数，然后引用计数自增1

unique_ptr和shared_ptr的区别

• unique_ptr代表的是专属所有权，不支持复制和赋值。但是可以移动

• shared_ptr 代表的是共享所有权，shared_ptr 是支持复制的和赋值以及移动的

• unique_ptr 在默认情况下和裸指针的大小是一样的。
  所以 内存上没有任何的额外消耗，性能是最优的，我们大多数场景下用到的应该都是 unique_ptr。

• shared_ptr 的内存占用是裸指针的两倍。因为除了要管理一个裸指针外，还要维护一个引用计数。因此相比于 unique_ptr, shared_ptr 的内存占用更高。在使用 shared_ptr 之前应该考虑，是否真的需要使用 shared_ptr, 而非 unique_ptr。

  shared_ptr你是怎么实现的

  shared_ptr 内部是利用引用计数来实现内存的自动管理，每当复制一个 shared_ptr，引用计数会 + 1。当一个 shared_ptr离开作用域时，引用计数会 - 1。当引用计数为 0 的时候，则 delete 内存。

  shared_ptr是不是线程安全

  • 不是

  • 引用计数的增减是原子操作没问题，但是shared_pytr的读写本身不只包括引用计数操作，还包括资源所有权的操作，这两个操作合起来不是原子的

  • 如果要求线程安全必须加锁

  • 资源所有权操作不是线程安全的：包括指针的赋值和删除操作，如果在多线程环境中使用，需要加锁保护。

    加锁保护资源所有权操作：在多线程环境中对 shared_ptr 的赋值或修改操作应使用互斥锁（如 std::mutex）来保护，以确保线程安全。

  weak_ptr如何检测指针是否被销毁

  expired()：

  • 判断强引用计数是否为0
  • 如果返回true，那么被观测的对象(也就是shared_ptr管理的资源)已经不存在了

  如何将weak_ptr转换为shared_ptr

  用lock():

  • 如果expired()为true，返回一个空shared_ptr，否则返回非空shared_ptr

智能指针的设计与实现

智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。

#include <iostream>
#include <memory>

template<typename T>
class SmartPointer {
private:
    T* _ptr;
    atomic_int* _count;
public:
    SmartPointer(T* ptr = nullptr) :
            _ptr(ptr) {
        if (_ptr) {
            _count = new size_t(1);
        } else {
            _count = new size_t(0);
        }
    }
// 拷贝构造函数
    SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {
        if (this != &ptr) {
            this->_ptr = ptr._ptr;
            this->_count = ptr._count;
            (*this->_count)++;
        }
    }
//拷贝赋值
    SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {
        if (this->_ptr == ptr._ptr) {
            return *this;
        }

        if (this->_ptr) {
            (*this->_count)--;
            if (this->_count == 0) {
                delete this->_ptr;
                delete this->_count;
            }
        }

        this->_ptr = ptr._ptr;
        this->_count = ptr._count;
        (*this->_count)++;
        return *this;
    }
// 解引用
    T& operator*() {
        assert(this->_ptr != nullptr); // 断言指针不为空
        return *(this->_ptr);

    }

    T* operator->() {
        assert(this->_ptr == nullptr);
        return this->_ptr;
    }

    ~SmartPointer() {
        (*this->_count)--;
        if (*this->_count == 0) {
            delete this->_ptr;
            delete this->_count;
        }
    }

    size_t use_count(){
        return *this->_count;
    }
};

int main() {
    {
        SmartPointer<int> sp(new int(10));
        SmartPointer<int> sp2(sp);
        SmartPointer<int> sp3(new int(20));
        sp2 = sp3;
        std::cout << sp.use_count() << std::endl;
        std::cout << sp3.use_count() << std::endl;
    }
    //delete operator
}

shared_ptr

shared_ptr使用了引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存，每次拷贝都会触发引用计数+1，每次生命周期结束析构的时候引用计数-1，在最后一个shared_ptr析构的时候，内存才会释放。

关于shared_ptr有几点需要注意：

• 不要用一个裸指针初始化多个shared_ptr，会出现double_free导致程序崩溃

• 通过shared_from_this()返回this指针，不要把this指针作为shared_ptr返回出来，因为this指针本质就是裸指针，通过this返回可能会导致重复析构，不能把this指针交给智能指针管理。

class A {
    shared_ptr<A> GetSelf() {
        return shared_from_this();
        // return shared_ptr<A>(this); 错误，会导致double free
    }  
};

• 尽量使用make_shared，少用new。
• 不要delete get()返回来的裸指针。
• 不是new出来的空间要自定义删除器。
• 要避免循环引用，循环引用导致内存永远不会被释放，造成内存泄漏。

#include<iostream>
#include<memory>
using namespace std;
struct ClassWrapper {
    ClassWrapper() {
        cout << "construct" << endl;
        data = new int[10];
    }
    ~ClassWrapper() {
        cout << "deconstruct" << endl;
        if (data != nullptr) {
            delete[] data;
        }
    }
    void Print() {
        cout << "print" << endl;
    }
    int* data;
};

void Func(std::shared_ptr<ClassWrapper> ptr) {
    ptr->Print();
}

int main() {
    auto smart_ptr = std::make_shared<ClassWrapper>();
    auto ptr2 = smart_ptr; // 引用计数+1
    ptr2->Print();
    Func(smart_ptr); // 引用计数+1
    smart_ptr->Print();
    ClassWrapper *p = smart_ptr.get(); // 可以通过get获取裸指针
    p->Print();
    return 0;
}

construct
print
print
print
print
deconstruct

weak_ptr

weak_ptr是用来监视shared_ptr的生命周期，它不管理shared_ptr内部的指针，它的拷贝的析构都不会影响引用计数，纯粹是作为一个旁观者监视shared_ptr中管理的资源是否存在，可以用来返回this指针和解决循环引用问题。

• 作用1：返回this指针，上面介绍的shared_from_this()其实就是通过weak_ptr返回的this指针。
• 作用2：解决循环引用问题。

空悬指针问题：有两个指针p1和p2，指向堆上的同一个对象Object，p1和p2位于不同的线程中。假设线程A通过p1指针将对象销毁了（尽管把p1置为了NULL），那p2就成了空悬指针。

weak_ptr不控制对象的生命期，但是它知道对象是否还活着。如果对象还活着，那么它可以提升为有效的shared_ptr（提升操作通过lock()函数获取所管理对象的强引用指针）；如果对象已经死了，提升会失败，返回一个空的shared_ptr。

1）operator=()：重载 = 赋值运算符，是的 weak_ptr 指针可以直接被 weak_ptr 或者 shared_ptr 类型指针赋值。
2）swap(x)：其中 x 表示一个同类型的 weak_ptr 类型指针，该函数可以互换 2 个同类型 weak_ptr 指针的内容。
3）reset()：将当前 weak_ptr 指针置为空指针。
4）use_count()：查看指向和当前 weak_ptr 指针相同的 shared_ptr 指针的数量。
5）expired()：判断当前 weak_ptr 指针为否过期（指针为空，或者指向的堆内存已经被释放）。
6）lock()：如果当前 weak_ptr 已经过期，则该函数会返回一个空的 shared_ptr 指针；反之，该函数返回一个和当前 weak_ptr 指向相同的 shared_ptr 指针。

unique_ptr

std::unique_ptr是一个独占型的智能指针，它不允许其它智能指针共享其内部指针，也不允许unique_ptr的拷贝和赋值。使用方法和shared_ptr类似，区别是不可以拷贝