🥲Smart Pointers

参考 https://changkun.de/modern-cpp/en-us/05-pointers/

Introduction

忘了加delete？不在合适的地方加入delete？那将是一场灾难！

自动释放内存，只有类可以做到😭

于是智能指针auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr来了！

将基本类型指针封装为类对象指针（这个类肯定是个模板，以适应不同基本类型的需求），并在析构函数里编写delete语句删除指针指向的内存空间。

再说说引用计数：

基本想法是对于动态分配的对象，进行引用计数，每当增加一次对同一个对象的引用，那么引用对象的引用计数就会增加一次， 每删除一次引用，引用计数就会减一，当一个对象的引用计数减为零时，就自动删除指向的堆内存。

STL一共给我们提供了四种智能指针包括 std::shared_ptr/std::unique_ptr/std::weak_ptr，使用它们需要包含头文件 <memory>.

模板auto_ptr是C++98提供的解决方案，C+11已将将其摒弃，并提供了另外3种解决方案。

所有的智能指针类都有一个explicit构造函数，以指针作为参数。比如auto_ptr的类模板原型为：

templet<class T>
class auto_ptr {
  explicit auto_ptr(X* p = 0) ; 
  ...
}

因此不能自动将指针转换为智能指针对象，必须显式调用：

shared_ptr<double> pd; 
double *p_reg = new double;
pd = p_reg;                               // not allowed (implicit conversion)
pd = shared_ptr<double>(p_reg);           // allowed (explicit conversion)
shared_ptr<double> pshared = p_reg;       // not allowed (implicit conversion)
shared_ptr<double> pshared(p_reg);        // allowed (explicit conversion

对全部三种智能指针都应避免的一点：

string vacation("I wandered lonely as a cloud.");
shared_ptr<string> pvac(&vacation);   // No

全局变量在堆中，智能指针pvac过期时，程序将把delete运算符用于非堆内存，这是错误的。

std::shared_ptr

它能够记录多少个 shared_ptr 共同指向一个对象，从而消除显式的调用 delete，当引用计数变为零的时候就会将对象自动删除。

但还不够，因为使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 来调用，这使得代码出现了某种程度上的不对称。

std::make_shared 就能够用来消除显式的使用 new，所以std::make_shared 会分配创建传入参数中的对象， 并返回这个对象类型的std::shared_ptr指针。例如：

#include<iostream>
#include<memory>
void foo(std::shared_ptr<int> i) {
    (*i)++;
}
int main() {
    // auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment
    // Constructed a std::shared_ptr
    auto pointer = std::make_shared<int>(10);
    foo(pointer);
    std::cout << *pointer << std::endl; // 11
    // The shared_ptr will be destructed before leaving the scope
    return 0;
}

std::shared_ptr 可以通过 get() 方法来获取原始指针，通过 reset() 来减少一个引用计数， 并通过use_count()来查看一个对象的引用计数。例如：

auto pointer = std::make_shared<int>(10);
auto pointer2 = pointer; // 引用计数+1
auto pointer3 = pointer; // 引用计数+1
int *p = pointer.get();  // 这样不会增加引用计数
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;   // 3
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3

pointer2.reset();
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;   // 2
std::cout << "pointer2.use_count() = "
          << pointer2.use_count() << std::endl;           // pointer2 已 reset; 0
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2
pointer3.reset();
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;   // 1
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << "pointer3.use_count() = "
          << pointer3.use_count() << std::endl;           // pointer3 已 reset; 0

std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占的智能指针，它禁止其他智能指针与其共享同一个对象，从而保证代码的安全：

std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10); // make_unique 从 C++14 引入
std::unique_ptr<int> pointer2 = pointer; // 非法

make_unique 并不复杂，C++11 没有提供 std::make_unique，可以自行实现：

template<typename T, typename ...Args>
std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) {
  return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) );
}

至于为什么没有提供，C++ 标准委员会主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因为『被他们忘记了』，这里笑一笑😂。

既然是独占，换句话说就是不可复制。但是，我们可以利用 std::move 将其转移给其他的 unique_ptr，例如：

#include <iostream>
#include <memory>

struct Foo {
    Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; }
    ~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }
    void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; }
};

void f(const Foo &) {
    std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;
}

int main() {
    std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>());
    // p1 不空, 输出
    if (p1) {
        p1->foo();
    }
    {
        std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));
        // p2 不空, 输出
        f(*p2);
        // p2 不空, 输出
        if(p2) {p2->foo();}
        // p1 为空, 无输出
        if(p1) {p1->foo();}
        p1 = std::move(p2);
        // p2 为空, 无输出
        if(p2) {p2->foo();}
        std::cout << "p2 被销毁" << std::endl;
    }
    // p1 不空, 输出
    if (p1) {p1->foo();}
    // Foo 的实例会在离开作用域时被销毁
}

std::weak_ptr

如果你仔细思考 std::shared_ptr 就会发现依然存在着资源无法释放的问题。看下面这个例子：

struct A;
struct B;

struct A {
    std::shared_ptr<B> pointer;
    ~A() {
        std::cout << "A 被销毁" << std::endl;
    }
};
struct B {
    std::shared_ptr<A> pointer;
    ~B() {
        std::cout << "B 被销毁" << std::endl;
    }
};
int main() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    a->pointer = b;
    b->pointer = a;
}

运行结果是 A, B 都不会被销毁，这是因为 a,b 内部的 pointer 同时又引用了 a,b，这使得 a,b 的引用计数均变为了 2，而离开作用域时，a,b 智能指针被析构，却只能造成这块区域的引用计数减一，这样就导致了 a,b 对象指向的内存区域引用计数不为零，而外部已经没有办法找到这块区域了，也就造成了内存泄露，如图

解决这个问题的办法就是使用弱引用指针 std::weak_ptr，std::weak_ptr是一种弱引用（相比较而言 std::shared_ptr 就是一种强引用）。弱引用不会引起引用计数增加，当换用弱引用时候，最终的释放流程如图

在上图中，最后一步只剩下 B，而 B 并没有任何智能指针引用它，因此这块内存资源也会被释放。

std::weak_ptr 没有 * 运算符和 -> 运算符，所以不能够对资源进行操作，它可以用于检查 std::shared_ptr 是否存在，其 expired() 方法能在资源未被释放时，会返回 false，否则返回 true；除此之外，它也可以用于获取指向原始对象的 std::shared_ptr 指针，其 lock() 方法在原始对象未被释放时，返回一个指向原始对象的 std::shared_ptr 指针，进而访问原始对象的资源，否则返回nullptr。

How to choose?

如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，应选择shared_ptr。这样的情况包括：

• 有一个指针数组，并使用一些辅助指针来标示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；

• 两个对象包含都指向第三个对象的指针；

• STL容器包含指针。很多STL算法都支持复制和赋值操作，这些操作可用于shared_ptr，但不能用于unique_ptr（编译器发出warning）和auto_ptr（行为不确定）。如果你的编译器没有提供shared_ptr，可使用Boost库提供的shared_ptr。

如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可使用unique_ptr。

如果函数使用new分配内存，并返还指向该内存的指针，将其返回类型声明为unique_ptr是不错的选择。这样，所有权转让给接受返回值的unique_ptr，而该智能指针将负责调用delete。可将unique_ptr存储到STL容器，只要不调用将一个unique_ptr复制或赋给另一个算法（如sort()）。例如，可在程序中使用类似于下面的代码段

unique_ptr<int> make_int(int n) {
    return unique_ptr<int>(new int(n));
}
void show(unique_ptr<int> &p1) {
    cout << *a << ' ';
}
int main() {
    ...
    vector<unique_ptr<int> > vp(size);
    for(int i = 0; i < vp.size(); i++) {
        vp[i] = make_int(rand() % 1000); // copy temporary unique_ptr
    }
    vp.push_back(make_int(rand() % 1000)); // ok because arg is temporary
    for_each(vp.begin(), vp.end(), show); // use for_each()
    ...
}

其中push_back调用没有问题，因为它返回一个临时unique_ptr，该unique_ptr被赋给vp中的一个unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用给show()传递对象，for_each()将非法，因为这将导致使用一个来自vp的非临时unique_ptr初始化p1，而这是不允许的。前面说过，编译器将发现错误使用unique_ptr的企图。

在unique_ptr为右值时，可将其赋给shared_ptr，这与将一个unique_ptr赋给一个需要满足的条件相同。与前面一样，在下面的代码中，make_int()的返回类型为unique_ptr<int>：

unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000));   // ok
shared_ptr<int> spp(pup);                       // not allowed, pup as lvalue
shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000));   // ok

模板shared_ptr包含一个显式构造函数，可用于将右值unique_ptr转换为shared_ptr。shared_ptr将接管原来归unique_ptr所有的对象。

在满足unique_ptr要求的条件时，也可使用auto_ptr，但unique_ptr是更好的选择。如果你的编译器没有unique_ptr，可考虑使用Boost库提供的scoped_ptr，它与unique_ptr类似。