第六部分-智能指针与内存管理

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智能指针与内存管理

1.RAII与引用计数

引用计数这种计数是为了防止内存泄露而产生的。 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。

所以通常的做法是对于一个对象而言，我们在构造函数的时候申请空间，而在析构函数（在离开作用域时调用）的时候释放空间， 也就是我们常说的 RAII 资源获取即初始化技术。

在传统 C++ 里我们只好使用 new 和 delete 去 『记得』对资源进行释放。而 C++11 引入了智能指针的概念，使用了引用计数的想法，让程序员不再需要关心手动释放内存。 这些智能指针包括 std::shared_ptr/std::unique_ptr/std::weak_ptr，使用它们需要包含头文件 。

std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种智能指针，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

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#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。

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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：

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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

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

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#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

std::weak_ptr 是一种智能指针，通常不单独使用，只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用，可以视为 shared_ptr 指针的一种辅助工具。借助 weak_ptr 类型指针可以获取 shared_ptr 指针的一些状态信息，比如有多少指向相同的 shared_ptr 指针、通过expired()判断shared_ptr 指针指向的堆内存是否已经被释放等等，还可以解决shared_ptr 循环引用的问题。

weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0，但更快。表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。

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#include <iostream>
#include <memory>
 
int main() {
    {
        std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
        std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;  // 输出1
 
        std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);
        std::cout << wp.use_count() << std::endl;  // 赋值给weak_ptr后还是输出1
 
        if(!wp.expired()){ // 检查sh_ptr是否还有效
            std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //将sh_ptr赋值给sh_ptr2
            *sh_ptr = 100;
            std::cout << wp.use_count() << std::endl;  // 输出2
        }
    } //delete memory
       
    std::weak_ptr<int> wp;
    {
        std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);
        wp = sh_ptr;
        std::cout << std::boolalpha << wp.expired() << std::endl;  // 输出false，引用对象还没删除
    } //delete memory
 
    std::cout << std::boolalpha << wp.expired() << std::endl;  // 输出true，引用对象已经删除
    
    return 0;
}

weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。

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#include <iostream>
#include <memory>
 
int main(int argc, const char* argv[]) {
    std::shared_ptr<int> sp(new int(10));
    std::weak_ptr<int> wp(sp);
    //sp.reset();
 
    if (std::shared_ptr<int> pa = wp.lock()) {
        std::cout << *pa << std::endl;
    }
    else {
        std::cout << "wp指向对象为空" << std::endl;
    }
 
    sp.reset();
    if (std::shared_ptr<int> pa = wp.lock()) {
        std::cout << *pa << std::endl;
    }
    else {
        std::cout << "wp指向对象为空" << std::endl;
    }
    return 0;
}

weak_ptr的一个作用是解决share_ptr的循环引用问题。如下面代码所示，class AA中含有指向class BB的shared指针, class BB 中含有指向class AA的shared指针，这样形成了循环引用。m_bb_ptr和m_aa_ptr的强引用计数永远大于等于1，所以直到程序退出前都不会被退出，这种情况有时候在正常的业务逻辑中是不可避免的，而解决循环引用的方法是改用weak_ptr：

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class BB;
 
class AA
{
public:
	AA() { cout << "AA::AA() called" << endl; }
	~AA() { cout << "AA::~AA() called" << endl; }
	shared_ptr<BB> m_bb_ptr;
};
 
class BB
{
 public:
	BB() { cout << "BB::BB() called" << endl; }
	~BB() { cout << "BB::~BB() called" << endl; }
	shared_ptr<AA> m_aa_ptr;
};
 
int main()
{
	shared_ptr<AA> ptr_a(new AA);
	shared_ptr<BB> ptr_b(new BB);
	cout << "ptr_a use_count: " << ptr_a.use_count() << endl;
	cout << "ptr_b use_count: " << ptr_b.use_count() << endl;
	//下面两句导致了AA与BB的循环引用，结果就是AA和BB对象都不会析构
	ptr_a->m_bb_ptr = ptr_b;
	ptr_b->m_aa_ptr = ptr_a;
	cout << "ptr_a use_count: " << ptr_a.use_count() << endl;
	cout << "ptr_b use_count: " << ptr_b.use_count() << endl;
    return 0;
}

可以看到由于AA和BB内部的shared_ptr各自保存了对方的一次引用，所以导致了ptr_a和ptr_b销毁的时候都认为内部保存的指针计数没有变成0，所以AA和BB的析构函数不会被调用。解决方法就是把一个shared_ptr替换成weak_ptr。

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class BB;
class AA
{
public:
	AA() { cout << "AA::AA() called" << endl; }
	~AA() { cout << "AA::~AA() called" << endl; }
	weak_ptr<BB> m_bb_ptr;  //!
};
 
class BB
{
public:
	BB() { cout << "BB::BB() called" << endl; }
	~BB() { cout << "BB::~BB() called" << endl; }
	shared_ptr<AA> m_aa_ptr; //!
};

总结：
1.weak_ptr虽然是一个模板类，但是不能用来直接定义指向原始指针的对象。
2.weak_ptr接受shared_ptr类型的变量赋值，但是反过来是行不通的，需要使用lock函数。
3.weak_ptr设计之初就是为了服务于shared_ptr的，所以不增加引用计数就是它的核心功能。
4.由于不知道什么之后weak_ptr所指向的对象就会被析构掉，所以使用之前请先使用expired函数检测一下。