【重学C++】02 脱离指针陷阱：深入浅出 C++ 智能指针
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【重学C++】02 脱离指针陷阱：深入浅出 C++ 智能指针
前言
大家好，今天是【重学C++】系列的第二讲，我们来聊聊C++的智能指针。
为什么需要智能指针
在上一讲《01 C++如何进行内存资源管理》中，提到了对于堆上的内存资源，需要我们手动分配和释放。管理这些资源是个技术活，一不小心，就会导致内存泄漏。
我们再给两段代码，切身体验下原生指针管理内存的噩梦。
void foo(int n) {
int* ptr = new int(42);
...
if (n > 5) {
return;
}
...
delete ptr;
}
void other_fn(int* ptr) {
...
};
void bar() {
int* ptr = new int(42);
other_fn(ptr);
// ptr == ?
}
在foo函数中，如果入参n > 5, 则会导致指针ptr的内存未被正确释放，从而导致内存泄漏。
在bar函数中，我们将指针ptr传递给了另外一个函数other_fn，我们无法确定other_fn有没有释放ptr内存，如果被释放了，那ptr将成为一个悬空指针，bar在后续还继续访问它，会引发未定义行为，可能导致程序崩溃。
上面由于原生指针使用不当导致的内存泄漏、悬空指针问题都可以通过智能指针来轻松避免。
C++智能指针是一种用于管理动态分配内存的指针类。基于RAII设计理念，通过封装原生指针实现的。可以在资源（原生指针对应的对象）生命周期结束时自动释放内存。
C++标准库中，提供了两种最常见的智能指针类型，分别是std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。
接下来我们分别详细展开介绍。
吃独食的unique_ptr
std::unique_ptr 是 C++11 引入的智能指针，用于管理动态分配的内存。每个 std::unique_ptr 实例都拥有对其所包含对象的唯一所有权，并在其生命周期结束时自动释放对象。
创建unique_ptr对象
我们可以std::unique_ptr的构造函数或std::make_unique函数（C++14支持）来创建一个unique_ptr对象，在超出作用域时，会自动释放所管理的对象内存。示例代码如下：
#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
MyClass() {
std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
}
~MyClass() {
std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
}
};
int main() {
std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass);
// C++14开始支持std::make_unique
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::make_unique<int>(10);
return 0;
}
代码输出：
MyClass constructed
MyClass destroyed
访问所管理的对象
我们可以像使用原生指针的方式一样，访问unique_ptr所指向的对象。也可以通过get函数获取到原生指针。
MyClass* naked_ptr = ptr1.get();
std::cout << *ptr2 << std::endl; // 输出 10
释放/重置所管理的对象
使用reset函数可以释放unique_ptr所管理的对象，并将其指针重置为nullptr或指定的新指针。reset`大概实现原理如下
template<class T>
void unique_ptr<T>::reset(pointer ptr = pointer()) noexcept {
// 释放指针指向的对象
delete ptr_;
// 重置指针
ptr_ = ptr;
}
该函数主要完成两件事：
- 释放
std::unique_ptr所管理的对象，以避免内存泄漏。 - 将
std::unique_ptr重置为nullptr或管理另一个对象。
code show time:
#include <iostream>
#include <memory>
class MyClass {
public:
MyClass() {
std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
}
~MyClass() {
std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
}
};
int main() {
// 创建一个 std::unique_ptr 对象，指向一个 MyClass 对象
std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass);
// 调用 reset，将 std::unique_ptr 重置为管理另一个 MyClass 对象
ptr.reset(new MyClass);
return;
}
移动所有权
一个对象资源只能同时被一个unique_ptr管理。当尝试把一个unique_ptr直接赋值给另外一个unique_ptr会编译报错。
#include <memory>
int main() {
std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 编译报错
return 0;
}
为了把一个 std::unique_ptr 对象的所有权移动到另一个对象中，我们必须配合std::move移动函数。
#include <memory>
#include <iostream>
int main() {
std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // ok
std::cout << *p2 << std::endl; // 42
std::cout << (p1.get() == nullptr) << std::endl; // true
return 0;
}
这个例子中， 我们把p1通过std::move将其管理对象的所有权转移给了p2, 此时p2接管了对象，而p1不再拥有管理对象的所有权，即无法再操作到该对象了。
乐于分享的shared_ptr
shared_ptr是C++11提供的另外一种常见的智能指针，与unique_ptr独占对象方式不同，shared_ptr是一种共享式智能指针，允许多个shared_ptr指针共同拥有同一个对象，采用引用计数的方式来管理对象的生命周期。当所有的 shared_ptr 对象都销毁时，才会自动释放所管理的对象。
创建shared_ptr对象
同样的，C++也提供了std::shared_ptr构造函数和std::make_shared函数来创建std::shared_ptr对象。
#include <memory>
int main() {
std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
std::shared_ptr<int> p2 = std::make_shared<int>(20);
return;
}
多个shared_ptr共享一个对象
可以通过赋值操作实现多个shared_ptr共享一个资源对象，例如
std::shared_ptr<int>p3 = p2;
shared_ptr采用引用计数的方式管理资源对象的生命周期，通过分配一个额外内存当计数器。
当一个新的shared_ptr被创建时，它对应的计数器被初始化为1。每当赋值给另外一个shared_ptr共享同一个对象时，计数器值会加1。当某个shared_ptr被销毁时，计数值会减1，当计数值变为0时，说明没有任何shared_ptr引用这个对象，会将对象进行回收。
C++提供了use_count函数来获取std::shared_ptr所管理对象的引用计数，例如
std::cout << "p1 use count: " << p1.use_count() << std::endl;
释放/重置所管理的对象
可以使用reset函数来释放/重置shared_ptr所管理的对象。大概实现原理如下（不考虑并发场景）
void reset(T* ptr = nullptr) {
if (ref_count != nullptr) {
(*ref_count)--;
if (*ref_count == 0) {
delete data;
delete ref_count;
}
}
data = ptr;
ref_count = (data == nullptr) ? nullptr : new size_t(1);
}
data指针来存储管理的资源，指针ref_count 来存储计数器的值。
在 reset 方法中，需要减少计数器的值，如果计数器减少后为 0，则需要释放管理的资源，如果减少后不为0，则不会释放之前的资源对象。
如果reset指定了新的资源指针，则需要重新设置 data 和 ref_count，并将计数器初始化为 1。否则，将计数器指针置为nullptr
shared_ptr使用注意事项
避免循环引用
由于 shared_ptr 具有共享同一个资源对象的能力，因此容易出现循环引用的情况。例如：
struct Node {
std::shared_ptr<Node> next;
};
int main() {
std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
std::shared_ptr<Node> node2(new Node);
node1->next = node2;
node2->next = node1;
}
在上述代码中，node1 和 node2 互相引用，在析构时会发现计数器的值不为0，不会释放所管理的对象，产生内存泄漏。
为了避免循环引用，可以将其中一个指针改为 weak_ptr 类型。weak_ptr也是一种智能指针，通常配合shared_ptr一起使用。
weak_ptr是一种弱引用，不对所指向的对象进行计数引用，也就是说，不增加所指对象的引用计数。当所有的shared_ptr都析构了，不再指向该资源时，该资源会被销毁，同时对应的所有weak_ptr都会变成nullptr，这时我们就可以利用expired()方法来判断这个weak_ptr是否已经失效。
我们可以通过weak_ptr的lock()方法来获得一个指向共享对象的shared_ptr。如果weak_ptr已经失效，lock()方法将返回一个空的shared_ptr。
下面是weak_ptr的基本使用示例：
#include <iostream>
#include <memory>
int main() {
std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
// 创建shared_ptr对应的weak_ptr指针
std::weak_ptr<int> wp(sp);
// 通过lock创建一个对应的shared_ptr
if (auto p = wp.lock()) {
std::cout << "shared_ptr value: " << *p << std::endl;
std::cout << "shared_ptr use_count: " << p.use_count() << std::endl;
} else {
std::cout << "wp is expired" << std::endl;
}
// 释放shared_ptr指向的资源，此时weak_ptr失效
sp.reset();
std::cout << "wp is expired: " << wp.expired() << std::endl;
return 0;
}
代码输出如下
shared_ptr value: 42
shared_ptr use_count: 2
wp is expired: 1
回到shared_ptr的循环引用问题，利用weak_ptr不会增加shared_ptr的引用计数的特点，我们将Node.next的类型改为weak_ptr, 避免node1和node2互相循环引用。修改后代码如下
```cpp
struct Node {
std::weak_ptr<Node> next;
};
int main() {
std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
std::shared_ptr<Node> node2(new Node);
node1->next = std::weak_ptr<Node>(node2);
node2->next = std::weak_ptr<Node>(node1); ;
}
避免裸指针与shared_ptr混用
先看看以下代码
int* q = new int(9);
{
std::shared_ptr<int> p(new int(10));
...
q = p.get();
}
std::cout << *q << std::endl;
get函数返回 std::shared_ptr 所持有的指针，但是不会增加引用计数。所以在shared_ptr析构时，将该指针指向的对象给释放掉了，导致指针q变成一个悬空指针。
避免一个原始指针初始化多个shared_ptr
int* p = new int(10);
std::shared_ptr<int> ptr1(p);
// error: 两个shared_ptr指向同一个资源，会导致重复释放
std::shared_ptr<int> ptr2(p);
总结
避免手动管理内存带来的繁琐和容易出错的问题。我们今天介绍了三种智能指针：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。
每种智能指针都有各自的使用场景。unique_ptr用于管理独占式所有权的对象，它不能拷贝但可以移动，是最轻量级和最快的智能指针。shared_ptr用于管理多个对象共享所有权的情况，它可以拷贝和移动。weak_ptr则是用来解决shared_ptr循环引用的问题。
下一节，我们将自己动手，从零实现一个C++智能指针。敬请期待