C++智能指针的原理和实现

一、智能指针起因

　　在C++中，动态内存的管理是由程序员自己申请和释放的，用一对运算符完成：new和delete。

　　new：在动态内存中为对象分配一块空间并返回一个指向该对象的指针；

　　delete：指向一个动态独享的指针，销毁对象，并释放与之关联的内存。

　　使用堆内存是非常频繁的操作，容易造成堆内存泄露、二次释放等问题，为了更加容易和更加安全的使用动态内存，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存，使得自动、异常安全的对象生存期管理可行。智能指针主要思想是RAII思想，“使用对象管理资源”，在类的构造函数中获取资源，在类的析构函数中释放资源。智能指针的行为类似常规指针，重要的区别是它负责自动释放所指向的对象。

　　RAII是Resource Acquisition Is Initialization的简称，即资源获取就是初始化：

　　1.定义一个类来封装资源的分配与释放；

　　2.构造函数中完成资源的分配及初始化；

　　3.析构函数中完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放；

　　4.如果对象是用声明的方式在栈上创建局部对象，那么RAII机制就会正常工作，当离开作用域对象会自动销毁而调用析构函数释放资源。

二、智能指针类型

　　智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，标准命名std空间下，有auto_ptr、shared_ptr、weak_ptr、unique_ptr四种，其中auto_ptr已被弃用。

　　auto_ptr：拥有严格对象所有权语义的智能指针；

　　shared_ptr：拥有共享对象所有权语义的智能指针；

　　weak_ptr：到 shared_ptr 所管理对象的弱引用；

　　unique_ptr：拥有独有对象所有权语义的智能指针。

2.1 auto_ptr

　　auto_ptr是通过由 new 表达式获得的对象，并在auto_ptr自身被销毁时删除该对象的智能指针，它可用于为动态分配的对象提供异常安全、传递动态分配对象的所有权给函数和从函数返回动态分配的对象，是一个轻量级的智能指针，适合用来管理生命周期比较短或者不会被远距离传递的动态对象，最好是局限于某个函数内部或者是某个类的内部。

　　声明：

　　template< class T > class auto_ptr;

　　template<> class auto_ptr<void>;  // 对类型void特化　　

　　成员函数：

　　(1) get： 获得内部对象的指针；

　　(2) release：释放被管理对象的所有权，将内部指针置为空，返回内部对象的指针，此指针需要手动释放；

　　(3) reset：销毁内部对象并接受新的对象的所有权；

　　(4) operator=：从另一auto_ptr转移所有权；

　　(5) operator*和operator->：访问被管理对象。

　　注意事项：

　　(1) 其构造函数被声明为explicit，因此不能使用赋值运算符对其赋值，即不能使用类似这样的形式 auto_ptr<int> p = new int；

　　(2) auto_ptr 的对象所有权是独占性的，使用拷贝构造和赋值操作符时，会造成对象所有权的转移，被拷贝对象在拷贝过程中被修改；

　　(3) 基于第二条，因此不能将auto_ptr放入到标准容器中或作为容器的成员；

　　(4) auto_ptr不能指向数组，释放时无法确定是数组指针还是普通指针；

　　(5) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　auto_ptr是最早期的智能指针，在C++11 中已被弃用，C++17 中移除，建议使用unique_ptr代替auto_ptr。

　　简单实现：

 1 template<class T>
 2 class AutoPointer
 3 {
 4 public:
 5     AutoPointer(T* ptr)
 6       :mPointer(ptr){}
 7
 8     AutoPointer(AutoPointer<T>& other)
 9     {
10         mPointer= other.mPointer;  //管理权进行转移
11         other.mPointer= NULL;
12     }
13
14     AutoPointer& operator = (AutoPointer<T>& other)
15     {
16         if(this != &other)
17         {
18             delete mPointer;
19             mPointer = other.mPointer;  //管理权进行转移
20             other.mPointer= NULL;
21         }
22
23         return *this;
24     }
25
26     ~AutoPointer()
27     {
28         delete mPointer;
29     }
30
31     T& operator * ()
32     {
33         return *mPointer;
34     }
35
36     T* operator -> ()
37     {
38         return mPointer;
39     }
40
41 private:
42
43     T* mPointer;
44 };

2.2 shared_ptr

　　shared_ptr多个指针指向相同的对象，也叫共享指针。shared_ptr采用了引用计数的方式，更好地解决了赋值与拷贝的问题，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存，每拷贝一次内部的引用计数加1，每析构一次内部的引用计数减1，为0时自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取时需要加锁。

声明：

　　template< class T > class shared_ptr;　

　　成员函数：

　　(1) get： 获得内部对象的指针；

　　(2) swap：交换所管理的对象；

　　(3) reset：替换所管理的对象；

　　(4) use_count：返回shared_ptr所指对象的引用计数；

　　(5) operator*和operator->：解引用存储的对象指针；

　　(6) operator=：对shared_ptr赋值；

　　(7) operator bool：检查是否有关联的管理对象；

　　(8) owner_before：提供基于拥有者的共享指针排序。

　　交换： std::swap(std::shared_ptr) 特化的swap算法用于交换两个智能指针。

　　初始化：通过构造函数传入指针初始化，也可以使用std::make_shared 或 std::allocate_shared 函数初始化。

　　注意事项：

　　(1) 不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 避免循环引用，这是shared_ptr的一个最大陷阱，导致内存泄漏，这一点在weak_ptr中将得到完善；

　　(3) 管理数组指针时，需要制定Deleter以使用delete[]操作符销毁内存，shared_ptr并没有针对数组的特化版本；

　　(4) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　简单实现：

 1 template <typename T>
 2 class SharedPointer
 3 {
 4 private:
 5
 6     class Implement
 7     {
 8     public:
 9         Implement(T* p) : mPointer(p), mRefs(1){}
10         ~Implement(){ delete mPointer;}
11
12         T* mPointer;  //实际指针
13         size_t mRefs;  // 引用计数
14     };
15
16     Implement* mImplPtr;
17
18 public:
19
20     explicit SharedPointer(T* p)
21       : mImplPtr(new Implement(p)){}
22
23     ~SharedPointer()
24     {
25         decrease();  // 计数递减
26     }
27
28     SharedPointer(const SharedPointer& other)
29       : mImplPtr(other.mImplPtr)
30     {
31         increase();  // 计数递增
32     }
33
34     SharedPointer& operator = (const SharedPointer& other)
35     {
36         if(mImplPtr != other.mImplPtr)  // 避免自赋值
37         {
38             decrease();
39             mImplPtr = other.mImplPtr;
40             increase();
41         }
42
43         return *this;
44     }
45
46     T* operator -> () const
47     {
48         return mImplPtr->mPointer;
49     }
50
51     T& operator * () const
52     {
53         return *(mImplPtr->mPointer);
54     }
55
56 private:
57
58     void decrease()
59     {
60         if(--(mImplPtr->mRefs) == 0)
61         {
62             delete mImplPtr;
63         }
64     }
65
66     void increase()
67     {
68         ++(mImplPtr->mRefs);
69     }
70 };

2.3 weak_ptr

　　weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，用于专门解决shared_ptr循环引用的问题，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。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。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。

　　声明：

　　template< class T > class weak_ptr;　

　　成员函数：

　　(1) swap：交换所管理的对象；

　　(2) reset：替换所管理的对象；

　　(3) use_count：返回shared_ptr所指对象的引用计数；

　　(4) operator=：对shared_ptr赋值；

　　(5) expired：检查被引用的对象是否已删除；

　　(6) owner_before：提供基于拥有者的共享指针排序；

　　(7) lock：创建管理被引用的对象的shared_ptr。

　　交换：std::swap(std::weak_ptr) 特化的swap算法用于交换两个智能指针。

　　注意事项：

　　(1) 不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　简单实现：weak_ptr的典型实现存储二个指针，即指向控制块的指针和作为构造来源的shared_ptr的存储指针。

　　以下是VC的源码实现：

 1 template<class _Ty>
 2 class weak_ptr
 3     : public _Ptr_base<_Ty>
 4 {    // class for pointer to reference counted resource
 5     typedef typename _Ptr_base<_Ty>::_Elem _Elem;
 6
 7 public:
 8     weak_ptr()
 9     {    // construct empty weak_ptr object
10     }
11
12     template<class _Ty2>
13     weak_ptr(const shared_ptr<_Ty2>& _Other,
14         typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
15         void *>::type * = 0)
16     {    // construct weak_ptr object for resource owned by _Other
17         this->_Resetw(_Other);
18     }
19
20     weak_ptr(const weak_ptr& _Other)
21     {    // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
22         this->_Resetw(_Other);
23     }
24
25     template<class _Ty2>
26     weak_ptr(const weak_ptr<_Ty2>& _Other,
27         typename enable_if<is_convertible<_Ty2 *, _Ty *>::value,
28         void *>::type * = 0)
29     {    // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other
30         this->_Resetw(_Other);
31     }
32
33     ~weak_ptr()
34     {    // release resource
35         this->_Decwref();
36     }
37
38     weak_ptr& operator=(const weak_ptr& _Right)
39     {    // assign from _Right
40         this->_Resetw(_Right);
41         return (*this);
42     }
43
44     template<class _Ty2>
45     weak_ptr& operator=(const weak_ptr<_Ty2>& _Right)
46     {    // assign from _Right
47         this->_Resetw(_Right);
48         return (*this);
49     }
50
51     template<class _Ty2>
52     weak_ptr& operator=(shared_ptr<_Ty2>& _Right)
53     {    // assign from _Right
54         this->_Resetw(_Right);
55         return (*this);
56     }
57
58     void reset()
59     {    // release resource, convert to null weak_ptr object
60         this->_Resetw();
61     }
62
63     void swap(weak_ptr& _Other)
64     {    // swap pointers
65         this->_Swap(_Other);
66     }
67
68     bool expired() const
69     {    // return true if resource no longer exists
70         return (this->_Expired());
71     }
72
73     shared_ptr<_Ty> lock() const
74     {    // convert to shared_ptr
75         return (shared_ptr<_Elem>(*this, false));
76     }
77 };

2.4 unique_ptr

　　unique_ptr实际上相当于一个安全性增强了的auto_ptr。unique_ptr是通过指针占有并管理另一对象，并在unique_ptr离开作用域时释放该对象的智能指针。unique_ptr的使用标志着控制权的转移，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象，通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。

　　声明：

　　template< class T, class Deleter = std::default_delete<T> > class unique_ptr;

　　template< class T, class Deleter> class unique_ptr<T[], Deleter>;  // 管理数组指针

　　成员函数：

　　(1) get： 返回指向被管理对象的指针；

　　(2) get_deleter：返回用于析构被管理对象7的删除器；

　　(3) swap：交换所管理的对象；

　　(4) reset：替换所管理的对象；

　　(5) release：返回一个指向被管理对象的指针，并释放所有权；

　　(6) operator bool：检查是否有关联的被管理对象；

　　(7) operator=：为unique_ptr赋值；

　　(8) operator*和operator->：解引用存储的对象指针。

　　注意事项：

　　(1) 不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。不能使用类似这样的形式 shared_ptr<int> p = new int；

　　(2) 不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理，对其它智能指针也是如此。

　　简单实现：

  1 //default deleter for unique_ptr
  2 template<typename T>
  3 struct DefaultDeleter
  4 {
  5     void operator () (T *p)
  6     {
  7         if(p)
  8         {
  9             delete p;
 10             p = NULL;
 11         }
 12     }
 13 };
 14
 15 template<typename T, typename Deleter = DefaultDeleter<T>>
 16 class unique_ptr
 17 {
 18 public:
 19
 20     // construct
 21     unique_ptr(T *pT = NULL);
 22
 23     // destroy
 24     ~unique_ptr();
 25
 26 private:
 27
 28     // not allow copyable
 29     unique_ptr(const unique_ptr &);
 30
 31     unique_ptr&operator=(const unique_ptr &);
 32
 33 public:
 34
 35     // reset
 36     void reset(T *p);
 37
 38     // release the own of the pointer
 39     T* release();
 40
 41     // get the pointer
 42     T* get();
 43
 44     // convert unique_ptr to bool
 45     operator bool() const;
 46
 47     // overload for operator *
 48     T& operator * ();
 49
 50     // overload for operator ->
 51     T* operator -> ();
 52
 53 private:
 54
 55     T *m_pT;  //pointer
 56
 57     Deleter m_deleter;  //deleter
 58
 59     void del();  //call deleter
 60 };
 61
 62
 63 template<typename T, typename Deleter>
 64  unique_ptr<T, Deleter>::unique_ptr(T *pT) :m_pT(pT)
 65 {
 66
 67 }
 68
 69 template<typename T, typename Deleter>
 70  unique_ptr<T, Deleter>::~unique_ptr()
 71 {
 72     del();
 73 }
 74
 75 template<typename T, typename Deleter>
 76  void unique_ptr<T, Deleter>::del()
 77 {
 78     if(*this)
 79     {
 80         m_deleter(m_pT);
 81         m_pT = NULL;
 82     }
 83 }
 84
 85 template<typename T, typename Deleter>
 86  T* unique_ptr<T, Deleter>::get()
 87 {
 88     return m_pT;
 89 }
 90
 91 template<typename T, typename Deleter>
 92  void unique_ptr<T, Deleter>::reset(T *p)
 93 {
 94     del();
 95     m_pT = p;
 96 }
 97
 98 template<typename T, typename Deleter>
 99  T* unique_ptr<T, Deleter>::release()
100 {
101     T *p = m_pT;
102     m_pT = NULL;
103     return p;
104 }
105
106 template<typename T, typename Deleter>
107  unique_ptr<T, Deleter>::operator bool() const
108 {
109     return NULL != m_pT;
110 }
111
112 template<typename T, typename Deleter>
113  T& unique_ptr<T, Deleter>::operator * ()
114 {
115     return *m_pT;
116 }
117
118 template<typename T, typename Deleter>
119  T* unique_ptr<T, Deleter>::operator -> ()
120 {
121     return m_pT;
122 }

三、总结

　　智能指针就是模拟指针动作的类，一般智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针主要作用是管理动态内存的释放。

　　1.不要使用std::auto_ptr；

　　2.当你需要一个独占资源所有权的指针，且不允许任何外界访问，请使用std::unique_ptr；

　　3.当你需要一个共享资源所有权的指针，请使用std::shared_ptr；

　　4.当你需要一个能访问资源，但不控制其生命周期的指针，请使用std::weak_ptr；

　　5.不能把一个原生指针交给两个智能指针对象管理。