[c++] Smart Pointers

前言

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初步认识

原文链接：https://blog.csdn.net/flowing_wind/java/article/details/81301001

参考资料：《C++ Primer中文版 第五版》

我们知道除了静态内存和栈内存外，每个程序还有一个内存池，这部分内存被称为自由空间或者堆。程序用堆来存储动态分配的对象即那些在程序运行时分配的对象，当动态对象不再使用时，我们的代码必须显式的销毁它们。

在C++中，动态内存的管理是用一对运算符完成的：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。

动态内存管理经常会出现两种问题：一种是忘记释放内存，会造成内存泄漏；一种是尚有指针引用内存的情况下就释放了它，就会产生引用非法内存的指针。

为了更加容易（更加安全）的使用动态内存，引入了智能指针的概念。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。

标准库提供的两种智能指针，区别在于管理底层指针的方法不同，

1. 1. shared_ptr允许多个指针指向同一个对象，
   2. unique_ptr则“独占”所指向的对象。
   3. 标准库还定义了一种名为weak_ptr的伴随类，它是一种弱引用，指向shared_ptr所管理的对象，这三种智能指针都定义在memory头文件中。

Ref: C++中的智能指针

自C语言以来，指针就是一个重要却又充满了麻烦的特性。使用指针的一个理由是在作用域以外使用引用语义。但是，指针的生命期和所指对象的生命期的确认是十分恼人的一件事情，尤其是多个指针指向同一个对象。例如，为了在多个集合中拥有同一个对象，必须要给每个集合传入指针。在理想的情况下，其中一个指针被销毁了，没有任何问题会发生（即没有空悬指针，也不会重复删除被引用的对象），当指向对象的最后一个指针被销毁时，该对象才会被销毁（即没有资源泄漏）。

为了避免各种问题，一种通用的解决方案是使用智能指针。智能指针之所以智能是因为它们可以支持程序员来避免上述的问题。例如，智能指针可以 智能地知道 它是不是最后一个指向对象的指针，并且据此可以实现由对象的最后一个指针来决定对象的销毁。

但是仅仅只有一种智能指针是不足够的。智能指针针对各种情况是十分智能的，但会导致其他方面的延时，因为要为智能付出代价。即便使用智能指针，也会存在误用和产生错误的情况。

生命周期

一、变量de底层原理

构建、析构

#include <iostream>
#include <stack>
#include <memory>

using namespace std;

struct X {
    X() { cout << "X() ";}
    ~X() { cout << "~X() ";}
};

struct Y {
    Y() { cout << "Y() ";}
    ~Y() { cout << "~Y() ";}
};

class A {
    X x;
public:
    A() { cout << "A() ";}
    ~A() { cout << "~A() ";}
};

class B: public A {
    Y y;
public:
    B() { cout << "B() ";}
    ~B() { cout << "~B() ";}
};

class S {
public:
    S() { cout << "S() ";}
    ~S() { cout << "~S() ";}
};

/////////////////////////////////////////////////////////////

int main()
{
    cout << "Hello World!" << endl;
#if 1
    B b;
#else
    A a;
    {
        cout << "" << endl;
        A &s = a;
        cout << "" << endl;
    }
    cout << "" << endl;
#endif

    return ;
}

Output: 

二、变量分类

变量类型

生命周期 Lifetime: the period of time in which memory is allocated for an object

Different kinds of objects:

• • • 静态变量 Static objects: allocated in a global (static) area
    • 栈对象 Local (or automatic or stack) objects
    • 堆对象 Heap objects

是否命名

Named objects: (named by the programmer): their lifetimes determined by their scope

Heap objects (unnamed objects): their lifetimes determined by the programmer

大括号作用域

Local Objects - 大括号的重要性

常对象作用域

const - 对 lifetime的影响

命名空间

三大永生：

1. 1. static Objects
   2. Global Objects
   3. namespace      <----

三、新建 Object

堆内存分配

int *pi = new int {}

pi, pj 是 named local objects。

int *f() {
    int *pi = new int{}    //unnamed heap object
    return pi;
}

int main() {
    int *pj = f();
    delete pj;
}

另外一些特殊的例子

特殊的 new (Dynamically Allocate and Initialise Objects)。

　　注意：vector<int>内存分配失败的话，可以“自定义处理”。

内存耗尽 - 异常

虽然现代计算机通常都配备大容量内存，但是自由空间被耗尽的情况还是有可能发生。一旦一个程序用光了它所有可用的空间，new表达式就会失败。

默认情况下，如果new不能分配所需的内存空间，他会抛出一个 bad_alloc 的异常，我们可以改变使用new的方式来阻止它抛出异常。

//如果分配失败，new返回一个空指针
int *p1 = new int;　　　　　　　　// 如果分配失败，new抛出std：：bad_alloc
int *p2 = new (nothrow)int;　　 // 如果分配失败，new返回一个空指针

构建、拷贝、移动

Ref: Error: double free or corruption

#include <queue>
using namespace std;

class Test{
    int *myArray;

public:
    Test(){
        myArray = new int[];
    }

    ~Test(){
        delete[] myArray;
    }

};

int main(){
    queue<Test> q
    Test t;
    q.push(t);
}

注意点: delete 和 delete []的真正区别

delete 只会调用一次析构函数，而 delete[] 会调用每一个成员的析构函数。

在 More Effective C++ 中有更为详细的解释：“当delete操作符用于数组时，它为每个数组元素调用析构函数，然后调用operator delete来释放内存”。

delete与new配套，delete []与new []配套。

If your object has a RAW pointer then you need to remember the rule of 3 (now the rule of 5 in C++11).

• • • Constructor
    • Destructor
    • Copy Constructor
    • Assignment Operator
    • Move Constructor (C++11)
    • Move Assignment (C++11)

智能指针

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Smart Memory Management

一、丑陋的方案

类似于python中的 with ... as ...，出现异常时要做什么才能完美解决所有问题。

void f() {
　　X* x = new X{};
　　try {
　　　　...
　　}
　　catch (...) {
　　　　delete x;
　　　　throw; 　　　　// rethrow the exception
　　}
　　delete x;
}

直接throw; 而后面不跟任何参数，是将所 catch 到的 exception 直接抛出，这样可以避免复制exception对象。

weak_ptr 是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作。

二、叁种智能指针

unique_ptr

不能赋值、拷贝。可以转移权限，但就是不能同时服侍二主！

• • reset 方法

调用 unique_ptr 的 reset() 方法将删除与之绑定的 raw 指针，并且将 unique_ptr 对象置空

• • release 方法

直接将对绑定 raw 指针的所有权释放，该函数会将绑定的 raw 指针返回

函数返回指针是可以的，因为函数本身消亡，最后还是只有一个指针指向资源。

move 转移法，替代了 release + reset 这个组合方法。

• • std::move 方法

跟左值右值有关，具体详见：[c++] Copy Control

shared_ptr

简而言之，share_ptr的目标是自动释放对象关联的资源，当对象不再被需要的时候。

会记录有多少个shared_ptrs共同指向一个对象。这便是所谓的引用计数（reference counting）。一旦最后一个这样的指针被销毁，也就是一旦某个对象的引用计数变为0，这个对象会被自动删除。

这在非环形数据结构中防止资源泄露很有帮助。使得指针可以共享对象，并且不用考虑内存泄漏问题

1) 为了避免隐式转换，智能指针不能使用赋值的方式初始化，当然使用括号初始化或者列表初始化是没有问题的。

2) 另一种初始化的方法是使用make_shared<>，它是一种更好且更安全的方法：因为使用new时会创建一个对象，计算它的引用计数时又会创建一个对象，而make_shared只会创建一个对象，并且不会出现控制模块失效的情况。

3) 另一种可选方案是先定义一个智能指针再进行赋值。但是不能使用赋值运算符（=），必须使用reset函数。

链接：老板不让用shared_ptr，会是什么原因？

我能想到的原因是由这些指针管理的情形同时有如下特征：

1. 对象本身比较小，可能与shared_ptr引用控制块的大小在一个数量级。

2. 指针基本上是独占对象的，没有共享。（你可以用std::unique_ptr啊！）

3. 小内存环境，对内存占用非常敏感。

4. 对象数量异常多。

5. 不可避免的循环引用。

但是话又说回来，如果真出现了上面前4点这些情况。说明内存上需要自己额外下点功夫。使用自定义的分配器管理和使用内存，合理优化分配策略以减少碎片的产生，这些事情往往又不是简单的原生new / delete能做好的。

总之，如果shared_ptr都出问题了，那么使用原生指针出问题的日子也差不了几天了。

【可以参考原链接的例子：https://zhuanlan.zhihu.com/p/71649913】

auto p = make_shared<int>();
shared_ptr<int> q = p;

cout << *p << endl;
p.reset();
cout << *q << endl;
p.reset();

不用delete，而是reset()。

// shared_ptr::get example
#include <iostream>
#include <memory>

int main () {
  int* p = new int ();
  std::shared_ptr<int> a(p);

  if (a.get()==p)
  　　std::cout << "a and p point to the same location\n";

  // Three ways of accessing the same address:
  std::cout << *a.get() << "\n";
  std::cout << *a << "\n";
  std::cout << *p << "\n";

  return ;
}

• • get 方法

获得指针的“地址”，

int main(void)
{
    int *p = new int ();
    std::shared_ptr<int> a(p);

    cout << a << endl;
    cout << *a << endl;
    cout << a.get() << endl;
    cout << *a.get() << endl;
    cout << p << endl;
    cout << *p << endl;

    return ;
}

  0x55aa093dce70

  0x55aa093dce70

  0x55aa093dce70
   

Output

#include<iostream>
#include<memory>

int main()
{
　　int* test = new int();

　　std::shared_ptr<int> t1_ptr(nullptr);
　　std::shared_ptr<int> t2_ptr(test);

　　auto q1 = t1_ptr;
　　auto q2 = t2_ptr;
　　auto p1 = t1_ptr;
　　auto p2 = t2_ptr;

　　std::cout << "the t1_ptr's ref count is " << t1_ptr.use_count() << std::endl;
　　std::cout << "the t2_ptr's ref count is " << t2_ptr.use_count() << std::endl;

　　t1_ptr = t2_ptr;
　　std::cout<<"after t1_ptr = t2_ptr,the t1_ptr's ref count is " << t1_ptr.use_count() << std::endl;

　　return ;
}

• • use_count 方法

内存的指针引用计数。

weak_ptr

weak_ptr 是 为配合shared_ptr而引入 的一种智能指针来协助shared_ptr工作，

它可以从一个shared_ptr或另一个weak_ptr对象构造，它的构造和析构 不会引起 引用记数的增加或减少。

没有重载*和->但可以使用lock获得一个可用的shared_ptr对象。

• "闭环" 相互引用

Ref: http://www.cnblogs.com/TianFang/archive/2008/09/20/1294590.html

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>

class parent;
class children;

typedef boost::shared_ptr<parent>   parent_ptr;
typedef boost::shared_ptr<children> children_ptr;

class parent
{
public:
    ~parent() { std::cout <<"destroying parent\n"; }

public:
    children_ptr children; 　　// 不要用shared_ptr，改为weak_ptr即可解决问题
};

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

public:
    parent_ptr parent;
};

void test()
{
    parent_ptr   father(new parent());
    children_ptr son(new children);
　　
    // 互相引用对方
    father->children = son;
    son->parent      = father;
}

void main()
{
    std::cout<<"begin test...\n";
    test();
    std::cout<<"end test.\n";
}

运行该程序可以看到，即使退出了test函数后，由于parent和children对象互相引用，它们的引用计数都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了c++中那臭名昭著的内存泄漏。

一般来讲，解除这种循环引用有下面有三种可行的方法：

1. 1. 当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。
   2. 当parent的生存期超过children的生存期的时候，children改为使用一个普通指针指向parent。
   3. 使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。 <-- 推荐

虽然这三种方法都可行，但方法1和方法2都需要程序员手动控制，麻烦且容易出错。这里主要介绍一下第三种方法和boost中的弱引用的智能指针boost::weak_ptr。

• 强引用 & 弱引用

一个强引用，当被引用的对象活着的话，这个引用也存在（就是说，当至少有一个强引用，那么这个对象就不能被释放）。boost::share_ptr就是强引用。

相对而言，弱引用当引用的对象活着的时候不一定存在。仅仅是当它存在的时候的一个引用。弱引用并不修改该对象的引用计数，这意味着弱引用它并不对对象的内存进行管理，

在功能上类似于普通指针，然而一个比较大的区别是：弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免访问非法内存。

boost::weak_ptr 必须从一个boost::share_ptr或另一个boost::weak_ptr转换而来，这也说明，进行该对象的内存管理的是那个强引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。

boost::weak_ptr 除了对所管理对象的基本访问功能（通过get()函数）外，还有两个常用的功能函数：

1) expired() 用于检测所管理的对象是否已经释放；

2) lock() 用于获取所管理的对象的强引用指针。

• weak_ptr 打破循环引用

由于弱引用不更改引用计数，类似普通指针，只要把循环引用的一方使用弱引用，即可解除循环引用。对于上面的那个例子来说，只要把children的定义改为如下方式，即可解除循环引用：

class children
{
public:
    ~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }

public:
    boost::weak_ptr<parent> parent;
};

最后值得一提的是，虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用，但这种方式必须在程序员能预见会出现循环引用的情况下才能使用，也可以是说这个仅仅是一种编译期的解决方案，如果程序在运行过程中出现了循环引用，还是会造成内存泄漏的。因此，不要认为只要使用了智能指针便能杜绝内存泄漏。毕竟，对于C++来说，由于没有垃圾回收机制，内存泄漏对每一个程序员来说都是一个非常头痛的问题。

• 不适合数组

Smart Pointers for Arrays, shared_ptr does not provide support for arrays.

End.