C++11智能指针原理和实现

一、智能指针起因

　　在C++中，动态内存的管理是由程序员自己申请和释放的，用一对运算符完成：new和delete。

　　new：在动态内存中为对象分配一块空间并返回一个指向该对象的指针；

　　delete：指向一个动态独享的指针，销毁对象，并释放与之关联的内存。

　　使用堆内存是非常频繁的操作，容易造成堆内存泄露、二次释放等问题，为了更加容易和更加安全的使用动态内存，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存，使得自动、异常安全的对象生存期管理可行。智能指针主要思想是RAII思想，“使用对象管理资源”，在类的构造函数中获取资源，在类的析构函数中释放资源。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象。

　　RAII是Resource Acquisition Is Initialization的简称，即资源获取就是初始化：

　　1.定义一个类来封装资源的分配与释放；

　　2.构造函数中完成资源的分配及初始化；

　　3.析构函数中完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放；

　　4.如果对象是用声明的方式在栈上创建局部对象，那么RAII机制就会正常工作，当离开作用域对象会自动销毁而调用析构函数释放资源。

二、智能指针类型

　　智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，标准命名std空间下，有auto_ptr、shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr四种，其中auto_ptr已被弃用。

　　auto_ptr：拥有严格对象所有权语义的智能指针；

　　shared_ptr：拥有共享对象所有权语义的智能指针；

　　weak_ptr：到 shared_ptr 所管理对象的弱引用；

　　unique_ptr：拥有独有对象所有权语义的智能指针。

2.1 auto_ptr

　　auto_ptr是通过由 new 表达式获得的对象，并在auto_ptr自身被销毁时删除该对象的智能指针，它可用于为动态分配的对象提供异常安全、传递动态分配对象的所有权给函数和从函数返回动态分配的对象，是一个轻量级的智能指针，适合用来管理生命周期比较短或者不会被远距离传递的动态对象，最好是局限于某个函数内部或者是某个类的内部。

　　声明：

　　template< class T > class auto_ptr;

　　template<> class auto_ptr<void>;  // 对类型void特化　　

　　成员函数：

　　(1) get： 获得内部对象的指针；

　　(2) release：释放被管理对象的所有权，将内部指针置为空，返回内部对象的指针，此指针需要手动释放；

　　(3) reset：销毁内部对象并接受新的对象的所有权；

　　(4) operator=：从另一auto_ptr转移所有权；

　　(5) operator*和operator->：访问被管理对象。

　　注意事项：

　　(1) 其构造函数被声明为explicit，因此不能使用赋值运算符对其赋值，即不能使用类似这样的形式 auto_ptr<int> p = new int；

　　(2) auto_ptr 的对象所有权是独占性的，使用拷贝构造和赋值操作符时，会造成对象所有权的转移，被拷贝对象在拷贝过程中被修改；

　　(3) 基于第二条，因此不能将auto_ptr放入到标准容器中或作为容器的成员；

　　(4) auto_ptr不能指向数组，释放时无法确定是数组指针还是普通指针；

　　(5) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　auto_ptr是最早期的智能指针，在C++11 中已被弃用，C++17 中移除，建议使用unique_ptr代替auto_ptr。

　　简单实现：

 template<class T>
 class AutoPointer
 {
 public:
     AutoPointer(T* ptr)
       :mPointer(ptr){}

     AutoPointer(AutoPointer<T>& other)
     {
         mPointer= other.mPointer;  //管理权进行转移
         other.mPointer= NULL;
     }

     AutoPointer& operator = (AutoPointer<T>& other)
     {
         if(this != &other)
         {
             delete mPointer;
             mPointer = other.mPointer;  //管理权进行转移
             other.mPointer= NULL;
         }

         return *this;
     }

     ~AutoPointer()
     {
         delete mPointer;
     }

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

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

 private:

     T* mPointer;
 };

2.2 shared_ptr

　　shared_ptr多个指针指向相同的对象，也叫共享指针。shared_ptr采用了引用计数的方式，更好地解决了赋值与拷贝的问题，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存，每拷贝一次内部的引用计数加1，每析构一次内部的引用计数减1，为0时自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取时需要加锁。

声明：

　　template< class T > class shared_ptr;　

　　成员函数：

　　(1) get： 获得内部对象的指针；

　　(2) swap：交换所管理的对象；

　　(3) reset：替换所管理的对象；

　　(4) use_count：返回shared_ptr所指对象的引用计数；

　　(5) operator*和operator->：解引用存储的对象指针；

　　(6) operator=：对shared_ptr赋值；

　　(7) operator bool：检查是否有关联的管理对象；

　　(8) owner_before：提供基于拥有者的共享指针排序。

　　交换： std::swap(std::shared_ptr) 特化的swap算法用于交换两个智能指针。

　　初始化：通过构造函数传入指针初始化，也可以使用std::make_shared 或 std::allocate_shared 函数初始化。

　　注意事项：

　　(1) 不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 避免循环引用，这是shared_ptr的一个最大陷阱，导致内存泄漏，这一点在weak_ptr中将得到完善；

　　(3) 管理数组指针时，需要制定Deleter以使用delete[]操作符销毁内存，shared_ptr并没有针对数组的特化版本；

　　(4) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　简单实现：

 template <typename T>
 class SharedPointer
 {
 private:

     class Implement
     {
     public:
         Implement(T* p) : mPointer(p), mRefs(){}
         ~Implement(){ delete mPointer;}

         T* mPointer;  //实际指针
         size_t mRefs;  // 引用计数
     };

     Implement* mImplPtr;

 public:

     explicit SharedPointer(T* p)
       : mImplPtr(new Implement(p)){}

     ~SharedPointer()
     {
         decrease();  // 计数递减
     }

     SharedPointer(const SharedPointer& other)
       : mImplPtr(other.mImplPtr)
     {
         increase();  // 计数递增
     }

     SharedPointer& operator = (const SharedPointer& other)
     {
         if(mImplPtr != other.mImplPtr)  // 避免自赋值
         {
             decrease();
             mImplPtr = other.mImplPtr;
             increase();
         }

         return *this;
     }

     T* operator -> () const
     {
         return mImplPtr->mPointer;
     }

     T& operator * () const
     {
         return *(mImplPtr->mPointer);
     }

 private:

     void decrease()
     {
         if(--(mImplPtr->mRefs) == )
         {
             delete mImplPtr;
         }
     }

     void increase()
     {
         ++(mImplPtr->mRefs);
     }
 };

2.3 weak_ptr

　　weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，用于专门解决shared_ptr循环引用的问题，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator * 和 ->，它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()，从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象，从而操作资源。

　　声明：

　　template< class T > class weak_ptr;　

　　成员函数：

　　(1) swap：交换所管理的对象；

　　(2) reset：替换所管理的对象；

　　(3) use_count：返回shared_ptr所指对象的引用计数；

　　(4) operator=：对shared_ptr赋值；

　　(5) expired：检查被引用的对象是否已删除；

　　(6) owner_before：提供基于拥有者的共享指针排序；

　　(7) lock：创建管理被引用的对象的shared_ptr。

　　交换：std::swap(std::weak_ptr) 特化的swap算法用于交换两个智能指针。

　　注意事项：

　　(1) 不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　简单实现：weak_ptr的典型实现存储二个指针，即指向控制块的指针和作为构造来源的shared_ptr的存储指针。

　　以下是VC的源码实现：

 template<class _Ty>
 class weak_ptr
     : public _Ptr_base<_Ty>
 {    // class for pointer to reference counted resource
     typedef typename _Ptr_base<_Ty>::_Elem _Elem;

 public:
     weak_ptr()
     {    // construct empty weak_ptr object
     }

     template<class _Ty2>
     weak_ptr(const shared_ptr<_Ty2>& _Other,
         typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
         void *>::type * = )
     {    // construct weak_ptr object for resource owned by _Other
         this->_Resetw(_Other);
     }

     weak_ptr(const weak_ptr& _Other)
     {    // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
         this->_Resetw(_Other);
     }

     template<class _Ty2>
     weak_ptr(const weak_ptr<_Ty2>& _Other,
         typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
         void *>::type * = )
     {    // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
         this->_Resetw(_Other);
     }

     ~weak_ptr()
     {    // release resource
         this->_Decwref();
     }

     weak_ptr& operator=(const weak_ptr& _Right)
     {    // assign from _Right
         this->_Resetw(_Right);
         return (*this);
     }

     template<class _Ty2>
     weak_ptr& operator=(const weak_ptr<_Ty2>& _Right)
     {    // assign from _Right
         this->_Resetw(_Right);
         return (*this);
     }

     template<class _Ty2>
     weak_ptr& operator=(shared_ptr<_Ty2>& _Right)
     {    // assign from _Right
         this->_Resetw(_Right);
         return (*this);
     }

     void reset()
     {    // release resource, convert to null weak_ptr object
         this->_Resetw();
     }

     void swap(weak_ptr& _Other)
     {    // swap pointers
         this->_Swap(_Other);
     }

     bool expired() const
     {    // return true if resource no longer exists
         return (this->_Expired());
     }

     shared_ptr<_Ty> lock() const
     {    // convert to shared_ptr
         return (shared_ptr<_Elem>(*this, false));
     }
 };

2.4 unique_ptr

　　unique_ptr实际上相当于一个安全性增强了的auto_ptr。unique_ptr是通过指针占有并管理另一对象，并在unique_ptr离开作用域时释放该对象的智能指针。unique_ptr的使用标志着控制权的转移，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象，通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。

　　声明：

　　template< class T, class Deleter = std::default_delete<T> > class unique_ptr;

　　template< class T, class Deleter> class unique_ptr<T[], Deleter>;  // 管理数组指针

　　成员函数：

　　(1) get： 返回指向被管理对象的指针；

　　(2) get_deleter：返回用于析构被管理对象7的删除器；

　　(3) swap：交换所管理的对象；

　　(4) reset：替换所管理的对象；

　　(5) release：返回一个指向被管理对象的指针，并释放所有权；

　　(6) operator bool：检查是否有关联的被管理对象；

　　(7) operator=：为unique_ptr赋值；

　　(8) operator*和operator->：解引用存储的对象指针。

　　注意事项：

　　(1) 不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　简单实现：

 //default deleter for unique_ptr
 template<typename T>
 struct DefaultDeleter
 {
     void operator () (T *p)
     {
         if(p)
         {
             delete p;
             p = NULL;
         }
     }
 };

 template<typename T, typename Deleter = DefaultDeleter<T>>
 class unique_ptr
 {
 public:

     // construct
     unique_ptr(T *pT = NULL);

     // destroy
     ~unique_ptr();

 private:

     // not allow copyable
     unique_ptr(const unique_ptr &);

     unique_ptr&operator=(const unique_ptr &);

 public:

     // reset
     void reset(T *p);

     // release the own of the pointer
     T* release();

     // get the pointer
     T* get();

     // convert unique_ptr to bool
     operator bool() const;

     // overload for operator *
     T& operator * ();

     // overload for operator ->
     T* operator -> ();

 private:

     T *m_pT;  //pointer

     Deleter m_deleter;  //deleter

     void del();  //call deleter
 };

 template<typename T, typename Deleter>
  unique_ptr<T, Deleter>::unique_ptr(T *pT) :m_pT(pT)
 {

 }

 template<typename T, typename Deleter>
  unique_ptr<T, Deleter>::~unique_ptr()
 {
     del();
 }

 template<typename T, typename Deleter>
  void unique_ptr<T, Deleter>::del()
 {
     if(*this)
     {
         m_deleter(m_pT);
         m_pT = NULL;
     }
 }

 template<typename T, typename Deleter>
  T* unique_ptr<T, Deleter>::get()
 {
     return m_pT;
 }

 template<typename T, typename Deleter>
  void unique_ptr<T, Deleter>::reset(T *p)
 {
     del();
     m_pT = p;
 }

 template<typename T, typename Deleter>
  T* unique_ptr<T, Deleter>::release()
 {
     T *p = m_pT;
     m_pT = NULL;
     return p;
 }

 template<typename T, typename Deleter>
  unique_ptr<T, Deleter>::operator bool() const
 {
     return NULL != m_pT;
 }

 template<typename T, typename Deleter>
  T& unique_ptr<T, Deleter>::operator * ()
 {
     return *m_pT;
 }

 template<typename T, typename Deleter>
  T* unique_ptr<T, Deleter>::operator -> ()
 {
     return m_pT;
 }

三、总结

　　智能指针就是模拟指针动作的类，一般智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针主要作用是管理动态内存的释放。

　　1.不要使用std::auto_ptr；

　　2.当你需要一个独占资源所有权的指针，且不允许任何外界访问，请使用std::unique_ptr；

　　3.当你需要一个共享资源所有权的指针，请使用std::shared_ptr；

　　4.当你需要一个能访问资源，但不控制其生命周期的指针，请使用std::weak_ptr；

　　5.不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理。

参考：

https://zh.cppreference.com/w/cpp/memory

https://blog.csdn.net/zhangye3017/article/details/80429780

作者：KeepHopes
出处：https://www.cnblogs.com/yuwanxian/p/11042058.html
关于作者：专注C++，对大数据、人工智能领域颇感兴趣，请多多赐教！
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