【C++】智能指標__C++

1.智能指標的作用

       C++程式設計中使用堆記憶體是非常頻繁的操作，堆記憶體的申請和釋放都由程式員自己管理。程式員自己管理堆記憶體可以提高了程式的效率，但是整體來說堆記憶體的管理是麻煩的，C++11中引入了智能指標的概念，方便管理堆記憶體。使用普通指標，容易造成堆記憶體泄露（忘記釋放），二次釋放，程式發生異常時記憶體泄露等問題等，使用智能指標能更好的管理堆記憶體。

理解智能指標需要從下面三個層次： 從較淺的層面看，智能指標是利用了一種叫做RAII（資源擷取即初始化）的技術對普通的指標進行封裝，這使得智能指標實質是一個對象，行為表現的卻像一個指標。 智能指標的作用是防止忘記調用delete釋放記憶體和程式異常的進入catch塊忘記釋放記憶體。另外指標的釋放時機也是非常有考究的，多次釋放同一個指標會造成程式崩潰，這些都可以通過智能指標來解決。 智能指標還有一個作用是把值語義轉換成引用語義。 2.智能指標的使用

智能指標在C++11版本之後提供，包含在標頭檔<memory>中，aauto_ptr,shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr 2.1、auto_ptr 的使用 auto_ptr 有很多問題。不支援複製（拷貝建構函式）和複製（operator = ），但複製或賦值的時候不會提示出錯。因為不能被複製，所以不能被放入容器中。
2.2、 shared_ptr 的使用

shared_ptr多個指標指向相同的對象。shared_ptr使用引用計數，每一個shared_ptr的拷貝都指向相同的記憶體。每使用他一次，內部的引用計數加1，每析構一次，內部的引用計數減1，減為0時，自動刪除所指向的堆記憶體。shared_ptr內部的引用計數是安全執行緒的，但是對象的讀取需要加鎖。 初始化。智能指標是個模板類，可以指定類型，傳入指標通過建構函式初始化。也可以使用make_shared函數初始化。不能將指標直接賦值給一個智能指標，一個是類，一個是指標。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的寫法是錯誤的 拷貝和賦值。拷貝使得對象的引用計數增加1，賦值使得原對象引用計數減1，當計數為0時，自動釋放記憶體。後來指向的對象引用計數加1，指向後來的對象。 get函數擷取原始指標 注意不要用一個原始指標初始化多個shared_ptr，否則會造成二次釋放同一記憶體 注意避免循環參考，shared_ptr的一個最大的陷阱是循環參考，迴圈，循環參考會導致堆記憶體無法正確釋放，導致記憶體流失。循環參考在weak_ptr中介紹。

#include<iostream>#include<memory>using namespace std;// share_ptrint main(void){{int a = 10;shared_ptr<int> ptra = make_shared<int>(a);shared_ptr<int> ptra2(ptra);cout << ptra.use_count() << endl;int b = 20;int *pb = &a;shared_ptr<int> ptrb = make_shared<int>(b);ptra2 = ptrb;pb = ptrb.get();cout << ptra.use_count() << endl;cout << ptrb.use_count() << endl;}return 0;}

2.2 unique_ptr的使用

　　unique_ptr“唯一”擁有其所指對象，同一時刻只能有一個unique_ptr指向給定對象（通過禁止拷貝語義、只有移動語意來實現）。相比與原始指標unique_ptr用於其RAII的特性，使得在出現異常的情況下，動態資源能得到釋放。unique_ptr指標本身的生命週期：從unique_ptr指標建立時開始，直到離開範圍。離開範圍時，若其指向對象，則將其所指對象銷毀(預設使用delete操作符，使用者可指定其他動作)。unique_ptr指標與其所指對象的關係：在智能指標生命週期內，可以改變智能指標所指對象，如建立智能指標時通過建構函式指定、通過reset方法重新指定、通過release方法釋放所有權、通過移動語意轉移所有權。

// unique_ptrint main(void){{// 綁定動態對象unique_ptr<int> uptr(new int(10));// unique_ptr<int> uptr2 = uptr;不能賦值// unique_ptr<int> uptr3(uptr);          不能拷貝unique_ptr<int> uptr4 = move(uptr);   // 轉換所有權uptr4.release();// 釋放所有權}// 超過 uptr 的範圍，記憶體釋放return 0;}

2.3 weak_ptr的使用

　　weak_ptr是為了配合shared_ptr而引入的一種智能指標，因為它不具有普通指標的行為，沒有重載operator*和->,它的最大作用在於協助shared_ptr工作，像旁觀者那樣觀測資源的使用方式。weak_ptr可以從一個shared_ptr或者另一個weak_ptr物件建構，獲得資源的觀測權。但weak_ptr沒有共用資源，它的構造不會引起指標引用計數的增加。使用weak_ptr的成員函數use_count()可以觀測資源的引用計數，另一個成員函數expired()的功能等價於use_count()==0,但更快，表示被觀測的資源(也就是shared_ptr的管理的資源)已經不複存在。weak_ptr可以使用一個非常重要的成員函數lock()從被觀測的shared_ptr獲得一個可用的shared_ptr對象， 從而操作資源。但當expired()==true的時候，lock()函數將返回一個儲存null 指標的shared_ptr。

// weak_ptrint main(){{shared_ptr<int> sh_ptr = make_shared<int>(10);cout << sh_ptr.use_count() << endl;weak_ptr<int> wp(sh_ptr);cout << wp.use_count() << endl;if (!wp.expired()){shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock();*sh_ptr = 100;cout << wp.use_count() << endl;}}return 0;}

3.智能指標的設計和實現

　　下面是一個簡單智能指標的demo。智能指標類將一個計數器與類指向的對象相關聯，引用計數跟蹤該類有多少個對象共用同一指標。每次建立類的新對象時，初始化指標並將引用計數置為1；當對象作為另一對象的副本而建立時，拷貝建構函式拷貝指標並增加與之相應的引用計數；對一個對象進行賦值時，賦值操作符減少左運算元所指對象的引用計數（如果引用計數為減至0，則刪除對象），並增加右運算元所指對象的引用計數；調用解構函式時，建構函式減少引用計數（如果引用計數減至0，則刪除基礎對象）。智能指標就是類比指標動作的類。所有的智能指標都會重載 -> 和 * 操作符。智能指標還有許多其他功能，比較有用的是自動銷毀。這主要是利用棧對象的有限範圍以及臨時對象（有限範圍實現）解構函式釋放記憶體。

// 類比實現智能指標#include<iostream>#include<assert.h>using namespace std;template<typename T>class SmartPointer{private:T *_ptr;size_t *_count;public:SmartPointer(T *ptr = NULL):_ptr(ptr){if (_ptr)_count = new size_t(1);else_count = new size_t(0);}SmartPointer(const SmartPointer &ptr){if (this != &ptr){this->_ptr = ptr._ptr;this->_count = ptr._count;(*this->_count)++;}}SmartPointer &operator=(SmartPointer &ptr){if (this->_ptr == ptr._ptr)return*this;if (this->_ptr){(*this->_count)--;if (this->_count == 0){delete this->_ptr;delete this->_count;}}this->_ptr = ptr._ptr;this->_count = ptr._count;(*this->_count)++;return *this;}T & operator*(){assert(this->_ptr == NULL);return this->_ptr;}~SmartPointer(){(*this->_count)--;if (*this->_count == 0){delete this->_ptr;delete this->_count;}}size_t use_count(){return *this->_count;}};int main(void){SmartPointer<int> sp(new int(10));SmartPointer<int> sp2(sp);SmartPointer<int> sp3(new int(20));sp2 = sp3;cout << sp.use_count() << endl;cout << sp2.use_count() << endl;cout << sp3.use_count() << endl;return 0;}

4、常見 C++ 智能指標面試

 4.1，你知道智能指標嗎。智能指標的原理。

　　答案：智能指標是一個類，這個類的建構函式中傳入一個普通指標，解構函式中釋放傳入的指標。智能指標的類都是棧上的對象，所以當函數（或程式）結束時會自動被釋放，

4.2，常用的智能指標。    

              1）std::auto_ptr，有很多問題。 不支援複製（拷貝建構函式）和賦值（operator =），但複製或賦值的時候不會提示出錯。因為不能被複製，所以不能被放入容器中。

              2) C++11引入的unique_ptr， 也不支援複製和賦值，但比auto_ptr好，直接賦值會編譯出錯。實在想賦值的話，需要使用：std::move。

               例如：

                    std::unique_ptr<int> p1(new int(5));
                    std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 編譯會出錯
                    std::unique_ptr<int> p3 = std::move(p1); // 轉移所有權, 現在那塊記憶體歸p3所有, p1成為無效的指標.

              3) C++11或boost的shared_ptr，基於引用計數的智能指標。可隨意賦值，直到記憶體的引用計數為0的時候這個記憶體會被釋放。

              4）C++11或boost的weak_ptr，弱引用。 引用計數有一個問題就是互相引用形成環，這樣兩個指標指向的記憶體都無法釋放。需要手動打破迴圈

引用或使用weak_ptr。顧名思義，weak_ptr是一個弱引用，只引用，不計數。如果一塊記憶體被shared_ptr和weak_ptr同時引用，當所有shared_ptr

析構了之後，不管還有沒有weak_ptr引用該記憶體，記憶體也會被釋放。所以weak_ptr不保證它指向的記憶體一定是有效，在使用之前需要檢查weak_ptr是

否為空白指標。  4.3，智能指標的實現。
參考文章： https://www.cnblogs.com/wxquare/p/4759020.html https://blog.csdn.net/bian_qing_quan11/article/details/73333214