编程八股文——C/C++中智能指针性质和使用
编程八股文——C/C++中智能指针性质和使用
1 智能指针
智能指针主要用于管理在堆上分配的内存，它将普通的指针封装为一个栈对象。当栈对象的生存周期结束后，会在析构函数中释放掉申请的内存，从而防止内存泄漏。
C++ 11中最常用的智能指针类型为shared_ptr，它采用引用计数的方法，记录当前内存资源被多少个智能指针引用。
- 该引用计数的内存在堆上分配。当新增一个时引用计数加 1 ，当过期时引用计数减一。只有引用计数为 0 时，智能指针才会自动释放引用的内存资源。
- 对shared_ptr进行初始化时不能将一个普通指针直接赋值给智能指针，因为一个是指针，一个是类，可以通过构造函数传入普通指针。（ 从
auto_ptr也带一点，虽然C++ 11已经遗弃）
std::auto_ptr<string> ptr(new string);
std::shared_ptr<string> p1;
std::shared_ptr<list<int>> p2;
auto_ptr<char*> ap(new char*);
*ap = "ap1";
*ap = "ap2";
char **bp = new char*;
*bp = "bp1";
cout << *ap << endl; // "ap2"
cout << *bp << endl; // "bp1"
#include <memory>
double *p = new double;
shared_ptr<double> pshared(p); // 合法，显示转换，explicit conversion
//shared_ptr<double> pshared = p; // 不合法，隐式转换，implicit conversion
int main(int argc, char* argv[]) {
string str("hello world!");
// 程序能运行，但是在要释放 pshared 指向的内存时会出错
// 因为 str 不是存在堆中，当 pshared 过期时，delete 运算符会用于非堆内存，造成错误
shared_ptr<string> pshared(&str);
cout << *pshared << endl;
getchar();
}
-
auto_ptr 是C++98提供的解决方案，C++11已经摒弃，并提供了以下几种方案
-
shared_ptr 被称为共享指针，用于管理多个智能指针共同拥有的动态分配对象，
-
unique_ptr 唯一拥有指定的对象，相比普通指针，拥有 RAII 的特性使得程序出现异常时，动态资源可以得到释放。
RAII，Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化： 其核心是把资源和对象的生命周期绑定，对象创建获取资源，对象销毁释放资源
-
weak_ptr 是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。
2 智能指针的内存泄露以及解决方法
当两个对象相互使用一个 shared_ptr 成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。
为了解决循环引用导致的内存泄漏，引入了 weak_ptr 弱指针，weak_ptr 的构造函数不会修改引用计数的值，从而不会对对象的内存进行管理，其类似一个普通指针，但不指向引用计数的共享内存，但是其可以检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免非法访问。
3 为什么摒弃 auto_ptr
auto_ptr<string> p1(new string("hello"));
auto_ptr<string> p2;
p2 = p1;
// 当 p1, p2 过期时，将删除同一个对象两次
解决之道：
- 定义复制运算符，使之执行深复制
- 建立所有权概念，使同时只有一个智能指针可拥有它。这样，只有拥有对象的智能指针有权析构该对象，这是auto_ptr 的策略，unique_ptr 的策略更严格。
- 创建智能更高的指针，跟踪引用特定对象的智能指针数。这称为引用计数。
int main(int argc, char* argv[]) {
auto_ptr<string> p1(new string("hello"));
auto_ptr<string> p2;
cout << *p1 << endl; // 正常打印
p2 = p1; // p1 丧失了对 string 对象的所有权，p1 此时是空指针
cout << *p1 << endl; // 编译通过，但运行时报错，因为试图提领空指针
getchar();
}
// 将 auto_ptr 换成 unique_ptr，编译器认为语句 p2 = p1; 非法，在编译阶段报错（因为 p1 不是临时右值）。
// 将 auto_ptr 换成 shared_ptr，编译运行阶段都没问题，正常打印。
// shared_ptr 采用的策略是引用计数，赋值时，计数加一，过期时，计数减一。仅当最后一个指针过期时，才调用 delete。
shared_ptr<string> p1(new string("hello"));
shared_ptr<string> p2(p1); // 合法，将右值 p1 赋给 p2
unique_ptr<string> p1(new string("hello"));
//shared_ptr<string> p2(p1); // 不合法，右值 p1 是 unique_ptr，若能赋给 p2，则 p1，p2 指向同一个对象，导致 p1 不合法，此语句编译不通过
//unique_ptr<string> p2(p1); // 不合法，p1 不是临时右值，注意临时。
unique_ptr<string> foo() {
unique_ptr<string> p1(new string("hello"));
return p1;
}
// 函数返回的 unique_ptr<string> 为临时右值，此时可赋给另一个 unique_ptr 型指针
int main(int argc, char* argv[]) {
unique_ptr<string> p2(foo());
}
4 C++ 11 智能指针更多用法
shared_ptr和unique_ptr都支持的操作：
shared_ptr独有的操作：
make_shared函数（定义在头文件memory中）在动态内存中分配一个对象并初始化它，返回指向此对象的shared_ptr。
5 智能指针与普通指针的转换
void show(string s)
{
cout << s << endl;
}
int main()
{
std::shared_ptr<std::string> s = std::make_shared<std::string>("hello\n");
show(*s.get()); // s.get() 获得内置指针 string *，需要解引用传到show()中
// 特别注意，不要使用get()初始化另一个智能指针或为智能指针赋值。
return 0;
}
shared_ptr<int> p(new int(42)); // reference count is 1
int *q = p.get(); // ok: but don't use q in any way that might delete its pointer
{ // new block
// undefined: two independent shared_ptrs point to the same memory
shared_ptr<int>(q);
} // block ends, q is destroyed, and the memory to which q points is freed
int foo = *p; // undefined; the memory to which p points was freed
智能指针的get函数返回一个内置指针，指向智能指针管理的对象。主要用于向不能使用智能指针的代码传递内置指针。使用get返回指针的代码不能delete此指针。
不要使用get初始化另一个智能指针或为智能指针赋值。
6 shared_ptr
shared_ptr是否线程安全
指针和引用计数是线程安全的，但指针所指对象中的操作就需要自己做控制，并不是线程安全的。因为shared_ptr 有两个数据成员（指向被管理对象的指针，和指向控制块的指针），读写操作不能原子化。使得多线程读写同一个 std::shared_ptr 对象需要加锁。
- 同一个shared_ptr被多个线程“读”是安全的。
- 同一个shared_ptr被多个线程“写”是不安全的。
- 共享引用计数的不同的shared_ptr被多个线程”写“ 是安全的。
使用 std::shared_ptr管理buffer或者数组
class O
{
public:
O() : mValue(0){};
~O() { printf("call ~O(), mValue = %d\n", mValue); };
int mValue;
};
int main()
{
int bufferSize = 10;
auto pData = std::shared_ptr<uint8_t>(new uint8_t[bufferSize], [](uint8_t *ptr) {
std::cout << "delete[] buffer pData" << std::endl;
delete[] ptr;
});
auto sp = std::shared_ptr<O>(new O[5], [](O *ptr) { delete[] ptr; });
O *p = sp.get();
for (int i = 0; i < 5; ++i)
{
(p + i)->mValue = i;
}
}
/*
call ~O(), mValue = 4
call ~O(), mValue = 3
call ~O(), mValue = 2
call ~O(), mValue = 1
call ~O(), mValue = 0
delete[] buffer pData
*/
7 unique_ptr
与shared_ptr不同，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定的对象。当unique_ptr被销毁时，它指向的对象也会被销毁。
make_unique函数（C++14新增，定义在头文件memory中）在动态内存中分配一个对象并初始化它，返回指向此对象的unique_ptr。
unique_ptr<int> p1(new int(42));
// C++14
unique_ptr<int> p2 = make_unique<int>(42);
由于unique_ptr独占其指向的对象，因此unique_ptr不支持普通的拷贝或赋值操作。
unique_ptr操作：
release函数返回unique_ptr当前保存的指针并将其置为空。
reset函数成员接受一个可选的指针参数，重新设置unique_ptr保存的指针。如果unique_ptr不为空，则它原来指向的对象会被释放。
// 将所有权从 p1 (which points to the string Stegosaurus) 转移给 p2
unique_ptr<string> p2(p1.release()); // release makes p1 null
unique_ptr<string> p3(new string("Trex"));
// transfers ownership from p3 to p2
p2.reset(p3.release()); // reset deletes the memory to which p2 had pointed
调用release会切断unique_ptr和它原来管理的对象之间的联系。release返回的指针通常被用来初始化另一个智能指针或给智能指针赋值。如果没有用另一个智能指针保存release返回的指针，程序就要负责资源的释放。
p2.release(); // WRONG: p2 won't free the memory and we've lost the pointer
auto p = p2.release(); // ok, but we must remember to delete(p)
不能拷贝unique_ptr的规则有一个例外：可以拷贝或赋值一个即将被销毁的unique_ptr（移动构造、移动赋值）。
unique_ptr<int> clone(int p)
{
unique_ptr<int> ret(new int (p));
// . . .
return ret;
}
老版本的标准库包含了一个名为auto_ptr的类，
类似shared_ptr，默认情况下unique_ptr用delete释放其指向的对象。unique_ptr的删除器同样可以重载，但unique_ptr管理删除器的方式与shared_ptr不同。定义unique_ptr时必须在尖括号中提供删除器类型。创建或reset这种unique_ptr类型的对象时，必须提供一个指定类型的可调用对象（删除器）。
// p points to an object of type objT and uses an object of type delT to free that object
// it will call an object named fcn of type delT
unique_ptr<objT, delT> p (new objT, fcn);
void f(destination &d /* other needed parameters */)
{
connection c = connect(&d); // open the connection
// when p is destroyed, the connection will be closed
unique_ptr<connection, decltype(end_connection)*> p(&c, end_connection);
// use the connection
// when f exits, even if by an exception, the connection will be properly closed
} // 当 p 被摧毁时，自动调用 end_connection 函数
8 weak_ptr
weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，它指向一个由shared_ptr管理的对象。将weak_ptr绑定到shared_ptr不会改变shared_ptr的引用计数。如果shared_ptr被销毁，即使有weak_ptr指向对象，对象仍然有可能被释放。
创建一个weak_ptr时，需要使用shared_ptr来初始化它。weak_ptr只能配合std::shared_ptr使用，不能单独使用。
auto p = make_shared<int>(42);
weak_ptr<int> wp(p); // wp weakly shares with p; use count in p is unchanged
使用weak_ptr访问对象时，必须先调用lock函数。该函数检查weak_ptr指向的对象是否仍然存在。如果存在，则返回指向共享对象的shared_ptr，否则返回空指针。
if (shared_ptr<int> np = wp.lock())
{
// true if np is not null
// inside the if, np shares its object with p
}
使用weak_ptr防止循环引用
#include <memory>
#include <iostream>
class Foo : public std::enable_shared_from_this<Foo>
{
public:
Foo() { std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl; }
~Foo() { std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl; }
void self()
{
mPtr = shared_from_this();
}
private:
// std::shared_ptr<Foo> mPtr; // 【1】由于循环引用，不会调用析构函数，改 mPtr 为 std::weak_ptr 类型即可
std::weak_ptr<Foo> mPtr; //【2】
};
int main()
{
{
std::shared_ptr<Foo> c = std::make_shared<Foo>();
c->self();
}
return 0;
}
/**
注释【1】打开【2】，打印
Foo::Foo()
Foo::~Foo()
注释【2】打开【1】，打印
Foo::Foo()
由于循环引用，不会调用析构函数
*/
std::enable_shared_from_this<T>::shared_from_this 是个侵入式设计。为的解决传入this导致对象被析构两次的问题。
什么情况下需要使用 shared_from_this()? 用于返回当前对象 this的std::shared_ptr类型指针时：
#include <memory>
#include <iostream>
class Foo : public std::enable_shared_from_this<Foo>
{
public:
Foo() { std::cout << "Foo()\n"; }
~Foo() { std::cout << "~Foo()\n"; }
std::shared_ptr<Foo> getSelf()
{
return shared_from_this();
}
};
int main()
{
Foo *foo = new Foo;
std::shared_ptr<Foo> sp1(foo);
std::shared_ptr<Foo> sp2 = sp1->getSelf(); // 【1】为了对 foo对象进行共享
//std::shared_ptr<Foo> sp2(foo); // 【2】
// std::boolalpha 的作用是使 bool 型变量按照 false、true 的格式输出。如不使用该标识符，那么结果会按照 1、0 的格式输出
std::cout << std::boolalpha << (sp2.get() == foo) << std::endl;
std::cout << sp1.use_count() << " " << sp2.use_count() << std::endl;
}
/* 打印
Foo()
true
2 2
~Foo()
*/
如果注释【1】打开【2】，则会析构两次，产生未定义的行为，打印如下
Foo()
true
1 1
~Foo()
~Foo()
free(): double free detected in tcache 2
已放弃 (核心已转储)
尽管sp1和sp2都指向了foo，但是却不共享计数，当析构的时候就会被析构两次，产生未定义行为。
std::weak_ptr可以接受std::shared_ptr参数来构造自己，std::shared_ptr也具有接受std::weak_ptr参数来构造自己。
enable_shared_from_this 函数原型
template<typename _Tp>
class enable_shared_from_this {
protected:
...
public:
shared_ptr<_Tp>
shared_from_this() {
return shared_ptr<_Tp>(this->_M_weak_this);
}
shared_ptr<const _Tp>
shared_from_this() const {
return shared_ptr<const _Tp>(this->_M_weak_this);
}
private:
...
mutable weak_ptr<_Tp> _M_weak_this;
}
enable_shared_from_this的子类需要返回自身的std::shared_ptr指针，那么就需要继承这个类。
成员变量为什么是weak_ptr类型
因为如果是std::shared_ptr类型，那么就永远无法析构对象自身。
这个_M_weak_this不是这个类中初始化，而是在shared_ptr中初始化，初始化的值就是this。因此如果智能指针类型是std::shared_ptr，那么这个类对象一旦创建，引用计数就是1，那么永远也无法析构。
为什么不直接传回this
std::shared_ptr的引用计数增加是需要用operator=实现的。
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