c++11之智能指针

Posted 2020-07-18 渔舟唱晚

    在c++98中，智能指针通过一个模板“auto_ptr”来实现，auto_ptr以对象的方式来管理堆分配的内存，在适当的时间（比如析构），释放所获得的内存。这种内存管理的方式只需要程序员将new操作返回的指针作为auto_ptr的初始值即可，程序员不能显式的调用delete。如 auto_ptr(new int);
    这在一定程度上避免了堆内存忘记释放造成的问题。不过auto_ptr也有一些缺点（拷贝是返回一个左值，不能调用delete[]等），所以在c++11中被废弃了。c++11标准照中改用unique_ptr,share_ptr,及weak_ptr等智能指针自动回收堆分配的对象。

下面是一个用c++11中智能指针实现的一个例子：

#include <memory>
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    unique_ptr<int> up1(new int(11));  //无法复制的unique_ptr
    unique_ptr<int> up2 = up1;         //不能通过编译
    
    cout << *up1 << endl;        //11
    
    unique_ptr up3 = move(up1);  //现在up3是数据唯一的unique_ptr只能指针
    
    cout << *up3 << endl;       //11
    cout << *up1 << endl;       //运行时错误
    up3.reset();                //显示释放内存
    up1.reset();                //不会导致运行时错误
    
    cout << *up3 << endl;       //运行时错误
    
    share_ptr<int> sp1(new int(22));
    share_ptr<int> sp2 = sp1;   //OK
    
    cout << *sp1 << endl;       //22
    cout << *sp2 << endl;       //22
    
    sp1.reset();
    cout << *sp2 << endl;       //22
}

    例子使用两种不同的智能指针unique_ptr和share_ptr来自动释放堆对象的内存。在析构或者调用reset都能释放对象。
    unique_ptr与所指的对象内存绑定紧密，不能与其他的unique_ptr类型的指针共享所指对象的内存。每个unique_ptr都唯一的拥有所指对象的内存。但是这种所有权可以通过标准库的move函数来转移，如unique_ptr up3 = move(up1)，一旦转移成功，原先的 unique_ptr就失去了对象内存的所有权，再使用已经失去权力的unique_ptr就会出现运行错误。
    从实现上讲，unique_ptr是删除了拷贝构造函数，保留了移动构造函数的封装类型，程序仅可以使用右值对unique_ptr进行构造，一旦构造成功，右值对象中的指针失效。

    share_ptr则不同，它允许多个该智能指针共享的永远同一堆分配对象的内存。与unique_ptr不同的是在实现上采用了引用计数，所以，一旦某个share_ptr失去了所有权，其他指针并没有影响，例子中sp1和sp2都共享指针，在sp1 reset之后只会使计数器降低，而不会导致内存的释放，当sp2 reset之后，导致引用计数器为零，share_ptr才会真正释放占有的内存空间。

    在c++11标准中，除了share_ptr和unique_ptr之外 ，还有weak_ptr
weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，它指向一个shared_ptr管理的对象，却并不拥有该对象。将一个weak_ptr绑定到shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放，即使有weak_ptr指向对象，对象还是会被释放。

    当我们创建一个weak_ptr时，要用一个shared_ptr来初始化它：

auto p=make_shared_ptr<int>(42);

weak_ptr<int> wp(p); //wp弱共享p，p的引用计数未改变

由于对象可能不存在，我们不能使用weak_ptr直接访问对象，而必须调用lock().此函数检查weak_ptr指向的对象是否存在。使用weak_ptr的成员lock，则可返回内存中的一个share_ptr对象，并在所指向的对象无效时候，返回空。

#include <memeroy>
#include <iostream>

using namespace std;

void Check(weal_ptr<int> & wp)
{
    share_ptr<int> sp = wp.lock();  //转换为share_ptr<int>
    if(sp != nullptr)
    {
        cout << "still" << *sp << endl;
    }
    else
    {
        cout << "pointer is invalid." << endl;
    }
}

int main()
{
    share_ptr<int> sp1(new int(22));
    share_ptr<int> sp2 = sp1;
    weal_ptr<int> wp = sp1;//指向share_ptr<int> 所指对象
    
    cout << *sp1 << endl;  //22
    cout << *sp2 << endl;  //22
    Check(wp);             //still 22
    
    sp1.reset();
    cout << *sp2 << endl;  //22
    Check(wp);       //still 22
    
    sp2.reset();
    Check(wp);       //pointer is invalid.
    
    return 0;
}

    例子中，sp1和sp2为共享对象，而weak_ptr指针wp也指向该内存，在sp1和sp2都有效的时候，调用weak_ptr的lock函数返回一个可用的share_ptr使用；当sp1和sp2都调用reset之后， 会使堆内存的引用计数器降低为0，而一旦计数器降低为0，share_ptr
就会释放内存，使之失效，此时调用weak_ptr的lock时，返回空指针nullptr。