细说智能指针

Posted 2020-10-20

提到指针，我们就会想到指针的高效，当然，滥用指针也会为我们带来许多的潜在bug。
提到指针，我们就会想到内存泄漏。比如，使用指针后忘记释放，久而久之，堆空间就会全部使用完，那么会带来很大的危害。再比如，两个指针指向同一片内存区域，我们对同一片区域进行了多次释放，同样会造成内存泄漏。
为了方便大家的理解，我们先来模拟一下，使用指针却忘记释放带来的危害。首先，我们要定义一个类。这次，还是定义女朋友类吧（之前写过一篇《细说C++的友元》用的就是女朋友类，这次还用这个吧，方便说明问题，更何况我们这群马畜怎么会有女朋友呢，没有女朋友只能自己创建了，哈哈哈哈）。
女生都喜欢自拍，尤其是漂亮的女生。所以，女生会有很多照片，对吧。那么，我们创建的这个女朋友类，就让她有照片吧。当然了，你女朋友的照片肯定不会随便给别人的吧，所以要把picutre这个变量声明为private类型。既然，女生喜欢自拍，并且发朋友圈，也就是说，其他人虽然得不到她的照片，却可以通过她的朋友圈看到她的自拍，也就意味着我们可以通过一个public函数访问picture这个变量。那么，我们现在来写代码。

class Girlfriend{
private:
    int pictures;
public:
    Girlfriend ( int i ){
        cout << "Girlfriend ( int i ) " << endl;   /*这句代码是不需要的，
        写在这里只是为了后期能够方便我们观察
        */
        this->pictures = i;
    }
    int getPic ( void ){
        return this->pictures;
    }
    ~Girlfriend (){
        cout << "~Girlfriend() " << endl;  /*这句代码是不需要的，
        写在这里只是方便我们观察
        */
    }
};

接着，我们来写一个主函数，来使用这个女朋友类。

int main ( int argc, char** argv ){
    Girlfriend* Alice = new Girlfriend( 100 );
    cout << "my girlfriend‘s pictures are " << mp->getPic() << endl;
    system ( "pause" );
    return 0;
}

运行结果：

我们在主函数中做了什么事情呢？我们通过指针动态创建了一个对象，并且，我创建的这个女朋友Alice有100张照片。看到这里，很多人就会想，指针危险吗？好像没什么危险啊。不是使用正常吗，看到程序运行结果，程序不是完美的执行了嘛，好像也没什么。
首先，我们创建的这个指针Alice没有去释放，仅仅创建了一个，危害不大，但是多了之后呢。那比如，我们现在再来写一个主函数。

int main ( int argc, char** argv ){
    Girlfriend* Alice = new Girlfriend( 100 );
    Girlfriend* Lisa = new Girlfriend( 200 );

    cout << "my girlfriend Alice‘s pictures are " << Alice->getPic() << endl;
    cout << "my girlfriend Lisa‘s pictures are " << Lisa->getPic() << endl;
    system ( "pause" );
    return 0;
}

运行结果：

我们先抛开指针不谈。我们就来谈谈女朋友。假如Alice是你女朋友，你手机里有她的100张照片，后来你们因为一些事情产生了矛盾分手了，于是你交了另外一个女朋友Lisa。有一次，Lisa翻你的手机，发现你竟然有100张前女友照片，她什么感受，估计要疯了，你说后果严不严重，所以，趁你的现女友没发现之前，赶紧把前女友照片给删了，赶紧把前女友照片释放掉，不然，后果……
现在，回归正题，我们使用指针创建对象，一个，两个，都没问题，那如果多了呢？100个，1000个，10000个，那内存还能受的了吗？所以，用完指针之后一定要释放指针。
但是，我们是人啊，不是机器，总会有遗忘的时候，那么我们有没有办法在指针使用完毕后，它自己释放呢？当有了这个需求后，我们就要开始思考解决办法了。很快，我们就有了解决方案：通过类对象模拟指针。指针有两个运算符，一个是->，另一个是星号，只要在类内重载这两个操作符就行了。那么，这个类的成员变量是什么呢？就是一个指针。通过类来模拟指针的，这就是智能指针了。现在，我们先来写一个简陋版的。

class SmartPointer{
private:
    Girlfriend* sp;
public:
    SmartPointer ( Girlfriend* p = NULL ){
        sp = p;
    }
    Girlfriend* operator -> (){
        return sp;
    }
    Girlfriend& operator * (){
        return *sp;
    }
    ~SmartPointer (){
        delete sp;
        cout << "~SmartPointer() " << endl;  /*这句代码完全没必要，
        写在这里只是便于我们观察    
        */
    }
}

我们在这个智能指针类中，重载指针了指针的两个运算符。通过这样做，我们解决了使用完毕指针后自动释放的问题。那么，还有一个问题，如果两个指针指向同一片区域，这样在释放指针时也会造成内存泄漏，因为同一片区域被释放两次。这个问题怎么解决呢？通过重载拷贝构造函数和赋值操作符。我们现在类内实现拷贝构造函数。

SmartPointer ( const SmartPointer& obj ){
    sp = obj.sp;
    const_cast<SmartPointer&>(obj).sp = NULL;
}

我们实现了拷贝构造函数，因为同一片区域只能有一个指针指向，所以，我们在把obj指向的地址赋给sp后，要将obj的sp赋值为NULL。这里用到了一个强制类型转换。
现在，我们要在类内实现重载赋值操作符。

SmartPointer& operator = ( const SmartPointer& obj ){
    if ( this != &obj ){
        delete sp;
        sp = obj.sp;
        obj.sp = NULL;
    }
    return *this;
}

到这里为止，我们就把智能指针类实现完毕了。同时，使用智能指针还可以避免指针比较或加减运算，因为这些运算会造成指针越界带来的bug。好了，我们看一下，运行结果，符不符合我们的预期。

哇，非常符合。指针使用完毕后完美释放。
下面是完整代码：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Girlfriend{
private:
    int pictures;
public:
    Girlfriend ( int i ){
        this->pictures = i;
        cout << "Girlfriend ( int i )" << endl;
    }
    int getPic ( void ){
        return this->pictures;
    }
    ~Girlfriend (){
        cout << "~Girlfriend ()" << endl;
    }
};

class SmartPointer{
private:
    Girlfriend* sp;
public:
    SmartPointer ( Girlfriend* p = NULL ){
        sp = p;
        cout << "SmartPointer ( Girlfriend* p = NULL )" << endl;
    }
    Girlfriend* operator -> (){
        return sp;
    }
    Girlfriend& operator * (){
        return *sp;
    }
    SmartPointer ( const SmartPointer& obj ){
        sp = obj.sp;
        const_cast<SmartPointer&>(obj).sp = NULL;
    }
    SmartPointer& operator = ( const SmartPointer& obj ){
        if ( this != &obj ){
            delete sp;
            sp = obj.sp;
            const_cast<SmartPointer&>(obj).sp = NULL;
        }
        return *this;
    }
    bool isnull (){
        return ( sp == NULL );
    }
    ~SmartPointer (){
        cout << "~SmartPointer()" << endl;
        delete sp;
    }
};

int main ( int argc, char** argv ){
    SmartPointer Alice = new Girlfriend( 100 );
    SmartPointer Lisa = new Girlfriend( 200 );

    cout << "my girlfriend Alice‘s pictures are " << Alice->getPic() << endl;
    cout << "my girlfriend Lisa‘s pictures are " << Lisa->getPic() << endl;

    system ( "pause" );
    return 0;
}

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后记：
这篇文章写完也是花了我两个小时了，这其中的代码都是经过我自己电脑测试的。虽然写这篇文章只花了我两个小时，但是，我在写这篇文章之前就已经开始在构思了，该如何写，才能做到通俗易懂。看来真的，想写好一篇文章还是比较困难的，毕竟要把自己学会的东西，通过语言文字描述出来，还是不容易的。之前写的一篇《细说C++的友元》上了博客的推荐，这里非常感谢51cto的小编。因为，那篇文章的缘故，我尽心尽力的写了这篇文章。
希望看完的小伙伴能够学到些知识，如果觉得我哪里讲解的有误，也可以在评论中指出，或者哪里有不懂的地方，也可以在评论中留言，如果有空，我们可以探讨下。
同时，感谢51cto的小伙伴们，大佬们花时间耐着性子看完了这篇文章，谢谢，谢谢你们！
最后，当然是希望，看完的小伙伴们，有所收获后点个赞，表示支持。谢谢！