智能指针的原理和实现

Posted 2020-12-19 renzmin

1.智能指针的作用

C++程序设计中需要频繁地动态分配堆内存，堆内存的申请和释放都由程序员管理。程序员管理堆内存提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理非常麻烦，且容易造成动态分配的堆内存没有正确释放或无法释放，导致资源浪费，程序运行速度变慢等问题。为了解决这些问题C++11提出了智能指针的概念，方便管理内存。

使用普通指针容易造成内存泄漏、二次释放、程序发生异常时内存泄漏等问题，使用智能指针可以更好地管理堆内存。

理解智能指针从以下三个方面入手：

1.智能指针是利用了一种叫做RAII（资源分配即初始化）的概念堆普通指针进行封装，这使得智能指针实质上是一个类对象，但表现得却像一个指针。

2.智能指针的作用是防止调用delete释放内存或者程序异常进入catch块忘记释放内存，同时多次释放同一指针会导致程序崩溃。

3.智能指针可以把值语义转换成引用语义，C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：

　　Animal a = new Animal();

　　Animal b = a;

     你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，

     Animal a;

     Animal b = a;

     这里却是就是生成了两个对象。

二：智能指针的使用

智能指针在C++11后提供，包含在头文件<memory>中，shared_ptr,unique_ptr,weak_ptr

2.1shared_ptr的使用：

shared_ptr多个指针指向相同的对象，shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存，每使用它一次，内部的引用计数加一，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动释放所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。

• 初始化：智能指针是一个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接复制给一个智能指针，因为一个是类，一个是指针
• 拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数加1，赋值使得原对象的引用计数减一，当引用计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象的引用计数加1，指向后来的对象
• get函数获取原始指针
• 不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr,会造成二次释放同一内存。

  #include <iostream>
  #include<memory>
  using namespace std;
  
  
  int main()
  {
  	int a = 1;
  	shared_ptr<int>ptr1 = make_shared<int>(a);
  	shared_ptr<int>ptr2(ptr1);//copy
  
  	cout << ptr1.use_count() << endl;
  	cout << ptr2.use_count() << endl;
  
  	int b = 20;
  	int* pb = &a;
  	//shared_ptr<int>ptrb = pb;//error不允许直接将指针赋值给类
  	shared_ptr<int>ptrb = make_shared<int>(b);
  	ptr2 = ptrb;//赋值
  	cout << ptr1.use_count() << endl;
  	cout << ptrb.use_count() << endl;
          pb = ptrb.get();//获取原始指针
  　　
  	system("pause");
  	return 0;
  
  }
  

  2.2 unique_ptr的使用

unique_ptr唯一拥有其所指对象，同一时刻只有一个unique_ptr指向给定对象（禁止赋值和拷贝，直接赋值会编译出错，只有通过移动语义来实现）。unique_ptr指针的生命周期：从unique_ptr创建开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指向对象销毁（默认使用delete操作符）。unique_ptr指针其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。

int main()
{
    unique_ptr<int>uptr(new int(10));//传入指针，调用构造函数
    //unique_ptr<int>uptr2 = uptr;//不能赋值
    //unique_ptr<int>uptr3 (uptr);//不能拷贝
    unique_ptr<int>uptr3 = move(uptr);//转移所有权，移动语义
}

2.3 weak_ptr的使用

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具备普通指针的行为，没有重载operator*和->,它最大作用在于协助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构造，获得资源的观测劝，不增加引用计数，没有共享资源。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count=0，但更快，表示被观测的资源（shared_ptr管理的资源）已经不存在了。weak_ptr可以用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。当expired()==true时，lock函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。

int main() {
    {
        std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
        std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;

        std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
        std::cout << wp.use_count() << std::endl;

        if (!wp.expired()) {
            std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr，增加了引用计数
            *sh_ptr = 100;
            std::cout << wp.use_count() << std::endl;
            std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;
        }
    }
    //delete memory
        system("pause");
        return 0;
}

三：智能指针的实现

https://www.cnblogs.com/wxquare/p/4759020.html