C++智能指针及简单实现

堆内存、栈内存与静态内存

静态内存

• **保存局部static对象。**例如统计函数本身被调用了多少次，可以在函数体内定义一个static对象，不会随函数体结束而销毁，更特别的是，只会在第一次使用时初始化。
• 保存类的static成员。类的static成员仅与类有关，而非与类的每个对象关联，更重要的是，static成员的更新会应用到类的每个对象。
• 全局变量

栈内存

• 函数内的非静态对象

堆内存

• 保存动态分配的对象

动态内存管理

new、delete运算符

• new 在申请内存的同时，还会调用对象的构造函数，返回指向该对象的指针
• delete 在释放内存之前，会调用对象的析构函数
• 易产生问题：内存泄漏（忘记释放）、引用非法内存指针（释放早了）

智能指针

位于memory头文件，智能指针是模板类（类似vector），所以相当于把指针包成一个类，添加一些成员（use_count等）的同时使得指针拥有了构造函数和析构函数，这样我们只需要关注内存的申请，内存的释放则由程序自动完成。

下面先手动实现一个智能指针：

实现智能指针

smartptr.h

#pragma once
#ifndef SMART_PTR_H
#define SMART_PTR_H
#include<iostream>

template<typename T>
class SmartPtr
{
public:
    //默认构造函数
    SmartPtr() :ptr(nullptr), count(nullptr) {}
    //传指针构造函数
    SmartPtr(T* _ptr) : ptr(_ptr), count(nullptr) 
    {
        if (_ptr)count = new int(1);
    }
    //拷贝构造函数
    SmartPtr(const SmartPtr& smp)
    {
        ptr = smp.ptr;
        count = smp.count;
        if (count)(*count)++;
    }
    //析构函数
    ~SmartPtr()
    {
        reset();
    }
    //重载=运算符
    SmartPtr& operator=(const SmartPtr& smp)
    {
        if (this == &smp)//指向同一块共享内存
        {
            return *this;
        }

        reset();//不一块内存，递减count
        this->ptr = smp.ptr;
        this->count = smp.count;
        if (count)(*count)++;

        return *this;
    }
    //重载*运算符
    T operator*() {
        return *(this->ptr);
    }
    //重载->运算符
    T* operator->() {
        return this->ptr;
    }
    //取出原始指针
    T* get()
    {
        return this->ptr;
    }
    //检查是否只有一个共享指针
    bool unique()
    {
        return *count == 1;
    }
    //返回计数器
    int use_count()
    {
        return *count;
    }
    //析构时削减共享计数并检查
    void reset()
    {
        if (count)
        {
            (*count)--;
            if (*count == 0)
            {
                delete this->ptr;
                delete this->count;
            }
        }
    }

private:
    T* ptr;
    int* count;
};

#endif // !SMART_PTR_H

main.cpp

#include<iostream>
#include<memory>
#include"smartptr.h"

using std::make_shared;
using std::shared_ptr;
using std::cout;
using std::endl;

int main()
{
    //对比int *sp = 100;
    auto sp = make_shared<int>(100);
    auto mysp = SmartPtr<int>(new int(100));
    cout << "shared_ptr：" << *sp << endl;
    cout << "My shared_ptr：" << *mysp << endl;
    cout << "shared_ptr use_count：" << sp.use_count() << endl;
    cout << "My shared_ptr use_count：" << mysp.use_count() << endl;
    cout << "shared_ptr unqiue：" << sp.unique() << endl;
    cout << "My shared_ptr unique：" << mysp.unique() << endl;
    auto sp2 = shared_ptr<int>(sp);
    auto mysp2 = SmartPtr<int>(mysp);
    cout << "shared_ptr use_count：" << sp.use_count() << endl;
    cout << "My shared_ptr use_count：" << mysp.use_count() << endl;
    cout << "shared_ptr unqiue：" << sp.unique() << endl;
    cout << "My shared_ptr unique：" << mysp.unique() << endl;

    auto p = sp.get();
    auto myp = mysp.get();

    auto sp3 = make_shared<int>();
    auto mysp3 = SmartPtr<int>();
    sp3 = sp2;
    mysp3 = mysp2;
    cout << "shared_ptr use_count：" << sp.use_count() << endl;
    cout << "My shared_ptr use_count：" << mysp.use_count() << endl;
    cout << "shared_ptr unqiue：" << sp.unique() << endl;
    cout << "My shared_ptr unique：" << mysp.unique() << endl;

    auto sp4 = make_shared<int>(10);
    auto mysp4 = SmartPtr<int>(new int(10));
    mysp3 = mysp4;
    sp3 = sp4;
    cout << "shared_ptr use_count：" << sp.use_count() << endl;
    cout << "My shared_ptr use_count：" << mysp.use_count() << endl;
    cout << "shared_ptr unqiue：" << sp.unique() << endl;
    cout << "My shared_ptr unique：" << mysp.unique() << endl;

    getchar();
    return 0;
}

shared_ptr

智能指针会将new和delete的过程自动化，它本质上是一个原始指针的包装。
一个允许多个对象指向同一块内存的指针对象，会对该内存地址的引用数量进行计数，shared ptr中除了有一个指针，指向所管理数据的地址。还有一个指针指向一个控制块的地址，里面存放了所管理数据的数量 (常说的引用计数) 、weak ptr的数量、删除器、分配器等，这里控制块是线程安全的，但是所管理数据的地址不是，

智能指针的线程安全问题

多个线程同时修改同一个shared_ptr对象，线程不安全

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，原因可看i++是原子操作吗，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了，具体可以看C++ 智能指针线程安全的问题中的例子。

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何context switch （切换到另一个线程）。 通常所说的原子操作包括对非long和double型的primitive进行赋值，以及返回这两者之外的primitive。

解决

加锁，但是更好的方法是尽量不要多线程地改变指针指向

也可以用原子智能指针：C++ 20 引入了原子智能指针std::atomic<std::shared_ptr>

unique_ptr

unique_ptr 不共享它所管理的对象，两个unique_ptr不能指向同一个对象，unique”占有“它的指针，不能赋值和拷贝，智能释放指针或是对控制权进行转移。

使用时，先include

这样我们就定义了一个名为entity的智能指针，一个更好的出于防止构造函数抛出异常的定义是：

weak_ptr

使用weak_ptr复制shared_ptr时不会增加引用计数，这是它最大的特点
这种指针不具有指针功能，最大作用在于解决循环引用的问题

循环引用

可以理解为形成了循环链表，A要释放就要先释放指向A的B，B要释放就要先释放指向B的A，这种时候会造成内存泄漏，此时将其中一个改成weak_ptr，然后在需要获取操作权的时候使用weak_ptr.lock()返回指向共享内存空间的shared_ptr()即可，详见c++ weak ptr解除指针循环引用

思维导图

本模块思路