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C++ 2023 年 7 月 9 日

[C++11] C++智能指针原理分析 介绍: RAII思想、智能指针原理、unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr分析及模拟、与boost库中智能指针的关系...

C++引入了异常处理的概念之后, 内存泄露的问题就变得更加防不胜防了. 而 智能指针的出现 大大缓解了内存泄漏出现的频率...
C++ C++11 约7150字 -- 阅读时间≈19分钟
一直以来, C++一直最令人诟病的问题之一是什么?
没错, 就是 内存泄漏
C语言还好一些, 但是 在C++中, 异常的相关处理出现之后, 内存泄漏的问题简直是防不胜防

博主 C++异常相关文章:

[C++] C++异常处理分析介绍: 异常概念、异常抛出与捕获匹配原则、重新抛出、异常安全、异常体系…

而且, C++也不像Java那样带有垃圾自动回收机制, 所以在C++11之前, C++的内存管理一直是一件非常麻烦的事情.
虽然现在也麻烦, 不过已经好了很多.

智能指针

C++在引入了异常的概念之后, 内存泄漏的问题就非常有可能出现.
比如这段代码:
#include <iostream>
#include <exception>

using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
using std::exception;
using std::invalid_argument;

int div() {
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    if (b == 0)
        throw invalid_argument("除0错误");

    return a / b;
}

void Func() {
    // 1、如果p1这里new 抛异常会如何？
    // 2、如果p2这里new 抛异常会如何？
    // 3、如果div调用这里又会抛异常会如何？
    int* p1 = new int;
    int* p2 = new int;

    cout << div() << endl;

    delete p1;
    delete p2;
}

int main() {
    try {
        Func();
    }
    catch (exception& e) {
        cout << e.what() << endl;
    }

    return 0;
}
注释的三个问题, 各自都会产生什么结果?
  1. 如果 int* p1 = new int; 时抛异常, 其实是空间开辟失败了, 所以不会发生内存泄漏.
  2. 如果 int* p2 = new int; 时抛异常, 那就说明p1空间是开辟成功了的, 所以如果这里抛异常, 会导致p1指向的空间无法被delete, 会发生内存泄漏
  3. 而, 如果div()执行时抛异常, 那么 就会导致p1和p2所指向的空间泄露.
不过, 如果是第3种情况, 可以直接这样解决:
void Func() {
    int* p1 = new int;
    int* p2 = new int;

    try {
        cout << div() << endl;
    }
    catch (...) {
        delete p1;
        delete p2;
        throw;
    }

    delete p1;
    delete p2;
}
但是, 如果类似第2种情况, 就无法相对方便的解决.
虽然看似可以模仿上面的解决方法尝试解决问题. 但实际上是无法解决的.
为什么呢?
int* p2 = new int;时抛异常, 我们捕捉到异常之后, 就需要将p1的空间释放掉.
但如果是这种情况呢?
void Func() {
    int* p1 = new int;
    int* p2 = new int;
    int* p3 = new int;
    int* p4 = new int;
    int* p5 = new int;

    try {
        cout << div() << endl;
    }
    catch (...) {
        delete p1;
        delete p2;
        delete p3;
        delete p4;
        delete p5;
        throw;
    }

    delete p1;
    delete p2;
    delete p3;
    delete p4;
    delete p5;
}
如果是在 p3、p4或p5任意一个位置抛异常了呢?
如果是p3, 那就需要释放 p1 p2; 如果是p4, 那就需要释放 p1 p2 p3; 如果是p5, 那就需要释放 p1 p2 p3 p4
如果 开辟的操作更多, 那么不同位置抛异常, 要处理的情况就不同.
这种情况, 就会非常的麻烦.
所以, C++11正式引入了智能指针.

RAII思想

RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 资源获取即初始化 是一种 利用对象生命周期来控制程序资源 的技术.
什么意思呢?
我们知道, 一个对象在生命周期即将结束时 是会自动调用析构函数释放资源的.
我们可以利用这一点, 将我们所需要获取的资源 来托管给对象, 通过对象来进行管理、访问、使用资源.
即, 实现一个类, 其成员变量包括所需资源, 在实例化对象时 通过构造函数开辟并初始化资源, 在对象生命周期快要结束时 对象会自动调用析构函数, 将开辟出来的空间释放.
这样做有什么好处呢?
  1. 不需要显式地释放资源
  2. 所需的资源在对象生命周期内始终保持有效
比如, 这段代码:
#include <iostream>
#include <exception>

using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
using std::exception;
using std::invalid_argument;

template <class T>
class SmartPtr {
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr)
        : _ptr(ptr) {}

    ~SmartPtr() {
        if (_ptr) {
            cout << "析构 释放资源" << _ptr << endl;
            delete _ptr;
        }
    }

private:
    T* _ptr;
};

int div() {
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    if (b == 0)
        throw invalid_argument("除0错误");

    return a / b;
}

void Func() {
    //  int* p1 = new int;
    //  int* p2 = new int;

    SmartPtr<int> p1(new int);
    SmartPtr<int> p2(new int);

    cout << div() << endl;
}

int main() {
    try {
        Func();
    }
    catch (exception& e) {
        cout << e.what() << endl;
    }

    return 0;
}
这段代码, 如果发生异常 会是什么结果?
通过传入new int调用构造函数, 实例化一个 SmartPtr对象.
SmartPtr对象的成员函数是一个指针, 用来指向开辟资源的空间. 构造函数将_ptr指向new int出来的空间. 析构函数delete掉_ptr指向的空间.
所以这就实现了, 不用手动的delete new出来的资源. 对象生命周期结束, 析构函数会自动释放.
这就是 智能指针的实现思想, 也是RAII思想

智能指针原理

我们通过SmartPtr类, 介绍了智能指针的实现思想.
但 对于SmartPtr, 还不能将其称之为智能指针. 因为, 它的对象还不具有指针的行为: *解引用、->等
所以, 智能指针至少还需要 重载*和->, 不过这两个操作符的重载很简单:
template <class T>
class SmartPtr {
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr)
        : _ptr(ptr) {}

    T& operator*() {
        return *_ptr;
    }

    T* operator->() {
        return _ptr;
    }

    ~SmartPtr() {
        if (_ptr) {
            cout << "析构 释放资源" << _ptr << endl;
            delete _ptr;
        }
    }

private:
    T* _ptr;
};
这样就可以实现, 直接通过对象进行*解引用和->相关操作:
struct Date {
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

int main() {
    SmartPtr<int> sp1(new int);
    *sp1 = 10;
    cout << *sp1 << endl;

    SmartPtr<Date> sparray(new Date);
    sparray->_year = 2018;
    sparray->_month = 1;
    sparray->_day = 1;

    cout << sparray->_year << "-" << sparray->_month << "-" << sparray->_day << endl;

    return 0;
}
这段代码执行结果为:
可以直接通过对象, 来实现指针相关的操作.

智能指针的问题

从上面来看, 智能指针的原理是不是非常的简单?
但智能指针的实现, 其实还存在着非常大的问题: 对象的拷贝构造和赋值怎么实现?
在普通指针的使用中, 经常会有这样的操作:
在指针定义时, 直接用其他指针初始化 或 用指针给指针赋值.
转换为SmartPtr, 就大概是这样:
对于类来说 SmartPtr<int> sp2 = sp1 就是拷贝构造. 所以 智能指针是需要实现 拷贝构造和赋值重载 的.
但问题是, 该如何实现呢? 需要使用 深拷贝还是浅拷贝?
**一定是需要实现浅拷贝. **
因为无论是 普通指针给普通指针初始化 还是普通指针给普通指针赋值. 这两个操作完成之后, 这两个普通指针一定是指向同一块空间的, 即两个指针维护同一块空间.
那么, 智能指针也需要实现相同的逻辑, 所以 无论是拷贝构造还是赋值重载都 不能实现深拷贝.
浅拷贝怎么实现?
很简单嘛:
template <class T>
class SmartPtr {
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr)
        : _ptr(ptr) {}

    // 拷贝构造
    SmartPtr(const SmartPtr<T>& sp)
        : _ptr(sp._ptr) {}
    
	// 赋值重载
    SmartPtr<T>& operator=(const SmartPtr<T>& sp){
        // 防止自我赋值
        if(this != &sp) {
            // 先清除被赋值对象中的资源
            if(_ptr)
                delete _ptr;
            
	        _ptr = sp._ptr;
        }
    }

    T& operator*() {
        return *_ptr;
    }

    T* operator->() {
        return _ptr;
    }

    ~SmartPtr() {
        if (_ptr) {
            cout << "析构 释放资源" << _ptr << endl;
            delete _ptr;
        }
    }

private:
    T* _ptr;
};
都浅拷贝实现, 只需要将传入的SmartPtr对象维护的资源 赋值给当前对象需要维护的资源变量就可以了.
但是, 这样 会出大问题
int main() {
    SmartPtr<int> sp1(new int);
    // 用 sp1 拷贝构造 sp2
    SmartPtr<int> sp2 = sp1;
    
    return 0;
}
这样的代码执行之后:
会发现, 同一块空间 被释放了两次. 直接报错.
出现这种情况的原因就是, 浅拷贝让两个对象的成员变量指向了同一块空间. 在两个对象生命周期结束时, 会调用析构函数 尝试delete同一块空间.
这就是 智能指针的实现 存在的最大的问题, 需要实现浅拷贝, 但是浅拷贝就会出现重复delete的问题.
为了解决这个问题, C++诞生了许多版本的智能指针.
下面就来一一介绍.

auto_ptr

为了解决 同一块空间会被delete两次的问题, C++98实现的智能指针auto_ptr用了一个”神”操作.
auto_ptr在执行拷贝构造或者赋值重载时, 会 转移资源的管理权. 什么意思呢?
就是, 会 先把传入的对象的资源给新对象, 然后再把传入对象的指向资源的指针置空
auto_ptr的模拟代码就是这样的:
namespace July {
    template <class T>
    class auto_ptr {
    public:
        auto_ptr(T* ptr = nullptr)
            : _ptr(ptr) {}

        auto_ptr(auto_ptr<T>& sp)
            : _ptr(sp._ptr) {
            sp._ptr = nullptr;
        }

        auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& sp) {
            // 防止自我赋值
            if (this != &sp) {
                // 先清除被赋值对象中的资源
                if (_ptr)
                    delete _ptr;

                _ptr = sp._ptr;
                sp._ptr = nullptr;
            }
        }

        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }

        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

        ~auto_ptr() {
            if (_ptr) {
                cout << "析构 释放资源" << _ptr << endl;
                delete _ptr;
            }
        }

    private:
        T* _ptr;
    };
} // namespace July
这种方法 确实解决了 同一块空间会被delete两次的问题. (因为其中一个对象的资源变成了 nullptr, delete nullptr 什么都不做)
但是, 却又出现了一个更离谱的问题:
auto_ptr执行过拷贝构造或赋值重载之后, 旧对象或者说等号右边的对象, 就不能再使用了
int main() {
    July::auto_ptr<int> ap1(new int);
    *ap1 = 10;
    cout << "ap1:: " << *ap1 << endl;
    
    July::auto_ptr<int> ap2(ap1);
    cout << "ap1:: " << *ap1 << endl;
    cout << "ap2:: " << *ap2 << endl;

    return 0;
}
使用上面的类, 执行这段代码:
会报出段错误. 原因是: 通过 ap1 拷贝构造 ap2, ap1的资源会被置空, 所以无法再被访问.
使用库中的 auto_ptr 也是相同的效果:
#include <memory>

int main() {
    std::auto_ptr<int> ap1(new int);
    *ap1 = 10;
    cout << "ap1:: " << *ap1 << endl;
    
    std::auto_ptr<int> ap2(ap1);
    cout << "ap1:: " << *ap1 << endl;
    cout << "ap2:: " << *ap2 << endl;

    return 0;
}
使用库中的auto_ptr编译器甚至会报出警告, 提示此类已弃用.
我们把 后面的 cout << "ap1:: " << *ap1 << endl; 注释掉, 就可以执行了:
成功的用ap1拷贝构造了ap2, 然后成功的解决了同一块空间释放两次的问题, 但是 也成功的添加了一个更离谱的问题.
由于 auto_ptr 执行拷贝构造或赋值重载之后, 旧对象就无法正常使用了, 所以这是一个失败的设计. 很多公司可能会明令禁止使用.

auto_ptr解决 同一块空间释放两次 的方法是 转移对资源的管理权.

这会导致, 旧对象无法再访问资源, 所以挺没用的

这个智能指针是C++98就存在的. 但是太难用.
所以C++11又设计了三个相对好用一些的智能指针

unique_ptr

unique_ptr 是C++11设计的智能指针之一.
基本的用法不必多说. 不过, 它是 怎么解决 同一块空间会被delete两次的问题 的呢?
这个智能指针的解决方法有一些 简单粗暴: 禁止拷贝构造和赋值
没错, unique_ptr 直接禁止了拷贝构造和赋值的行为.
namespace July {
    template <class T>
    class unique_ptr {
    public:
        // RAII思想
        unique_ptr(T* ptr = nullptr)
            : _ptr(ptr) {}

        ~unique_ptr() {
            if (_ptr) {
                cout << "delete" << _ptr << endl;
                delete _ptr;
                _ptr = nullptr;
            }
        }

        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }

        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

        // C++11 之后
        unique_ptr(const unique_ptr<T>& up) = delete;
        unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& up) = delete;

    private:
        // C++98 可以这样实现
        // 1. 只声明不实现, 不过如果是public, 这种方法可以在其他地方实现功能
        // 2. 声明成私有
        //  unique_ptr(const unique_ptr<T>& sp);
        //  unique_ptr<T>& operator=(const unique_ptr<T>& sp);
        T* _ptr;
    };
} // namespace July
使用此类, 如果尝试拷贝构造或者赋值, 是无法编译通过的:
int main(){
    July::unique_ptr<int> up1(new int);
    *up1 = 20;
    cout << "up1:: " << *up1 << endl;

    // 尝试拷贝构造
    July::unique_ptr<int> up2(up1);

    return 0;
}
编译时, 编译器会直接报错:
使用库中的, 也会有相同的效果:
不过 库中的实现要复杂的多.

shared_ptr **

上面介绍的两个智能指针, 好像都没有办法相对完美的解决 同一块资源被delete两次的问题(一个转移资源、一个禁止拷贝).
不过, C++11还有一个智能指针 可以很好的解决这个问题.
那就是 shared_ptr.
这个智能指针的解决方法是: 在类中添加一个成员变量 用来引用计数, 每有一个对象指向同一个资源空间, 这个计数就增加1, 否则则减少1. 只有当计数为0是, 才会释放资源空间
但是, 这个用以引用计数的成员变量, 不能直接用static修饰的变量.
如果使用 static修饰的变量作为引用计数变量, 那么这个变量会被所有shared_ptr对象共享, 无论是否维护同一块资源空间.
但是, 我们要实现的是 维护同一块资源空间的对象之间共享一个引用计数
这要怎么实现呢? 其实很简单, 如何实现多个对象维护同一块资源空间 就如何实现多个对象共享引用计数.
shared_ptr模拟:
namespace July {
    template <class T>
    class shared_ptr {
    public:
        // RAII思想
        shared_ptr(T* ptr)
            : _ptr(ptr)
            , _pCount(new int(1)) {}

        ~shared_ptr() {
            release();
        }

        shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
            : _ptr(sp._ptr)
            , _pCount(sp._pCount) {
            (*_pCount)++;
        }

        shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
            // 这里需要用 维护资源是否相同来判断 是否需要执行赋值操作
            // 不能只判断对象是否相同, 因为不同对象维护的资源也可能相同
            if (_ptr != sp._ptr) {
                release();

                _ptr = sp._ptr;
                _pCount = sp._pCount;
                ++(*_pCount);
            }

            return *this;
        }

        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }

        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

        // 释放资源函数
		// 当前对象的引用计数为1(再--为0)时, 才真正进行资源释放操作
        void release() {
            if (--(*_pCount) == 0 && _ptr) {
                cout << "delete" << _ptr << endl;
                delete _ptr;
                _ptr = nullptr;

                delete _pCount;
                _pCount = nullptr;
            }
        }
        int getCount() {    
            return *_pCount;
        }

    private:
        T* _ptr;
        int* _pCount;
    };
} // namespace July
其中, 最重要的四个部分:

  1. 成员变量 int* _pCount

    要实现多个对象之间共享一个引用计数, 就需要让多个维护同一资源的对象能够同时访问这个变量.

    那其实 资源共享是怎么是实现的, 引用计数一样的方法实现 就可以了

    所以, 使用一个int*指针变量, 在实例化对象时初始化为new int(1). 就可以让 此指针指向一块堆空间.

    这样, 就可以让其他对象的int*指针变量指向同一块空间.

  2. 析构函数

    由于可能存在多个对象正在共同维护同一块资源的情况. 所以 需要在当前引用计数为1(再—就为0)时 调用析构函数, 才进行资源的释放.

    否则就只需要将引用计数—, 就可以了.

    所以实现了一个, release()函数:

    // 释放资源函数
// 当前对象的引用计数为1(再--为0)时, 才真正进行资源释放操作
void release() {
    // 先 --(*_pCount), 然后判断结果是否为0
    // 如果为0, 且维护资源不为空, 则进行资源释放
    // 需要释放 资源空间 和 引用计数空间
    if (--(*_pCount) == 0 && _ptr) {
        cout << "delete" << _ptr << endl;
        delete _ptr;
        _ptr = nullptr;

        delete _pCount;
        _pCount = nullptr;
    }
}

    在析构函数内, 直接调用此函数就可以了

  3. 拷贝构造

    此类的拷贝构造的实现 非常简单.

    只需要根据传入的对象所 维护的资源和引用计数, 初始化新对象. 然后 引用计数++就可以了

    shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
    : _ptr(sp._ptr)
    , _pCount(sp._pCount) {
    (*_pCount)++;
}

  4. 赋值重载

    赋值重载的实现 是最复杂的.

    首先, 需要判断 两个对象维护的资源是否为同一资源, 如果是 则不执行赋值操作. 如果不是在执行.

    然后要执行赋值操作, 就需要知道两个对象相互赋值会发生什么. 比如 sp1 = sp2 可能会发生什么呢?

    1. sp1 将会失去原先维护的资源.

      如果sp1原来的引用计数为1, 那么就需要将sp1维护的资源空间释放掉

      所以, 需要先执行 release(), 判断是否需要释放资源.

    2. sp2 维护的资源和引用计数, 将会多一个维护者sp1.

      所以 需要将 sp2维护的资源 和 引用计数, 赋值给 sp1

    shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
    // 这里需要用 维护资源是否相同来判断 是否需要执行赋值操作
    // 不能只判断对象是否相同, 因为不同对象维护的资源也可能相同
    if (_ptr != sp._ptr) {
        release();

        _ptr = sp._ptr;
        _pCount = sp._pCount;
        ++(*_pCount);
    }

    return *this;
}
此时模拟的shared_ptr, 就是一个好用的智能指针:
int main() {
    July::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
    cout << "构造 sp1, sp1:: " << *sp1 << ", pCount:: " << sp1.getCount()
         << endl;
    July::shared_ptr<int> sp2(sp1);
    cout << "由sp1拷贝构造 sp2, sp2:: " << *sp2
         << ", pCount:: " << sp2.getCount() << endl;
    July::shared_ptr<int> sp3(sp1);
    cout << "由sp1拷贝构造 sp3, sp3:: " << *sp3
         << ", pCount:: " << sp3.getCount() << endl << endl;

    cout << "更改 *sp2 = 20" << endl;
    *sp2 = 20;
    cout << "sp1:: " << *sp1 << ", pCount:: " << sp1.getCount() << endl;
    cout << "sp2:: " << *sp2 << ", pCount:: " << sp2.getCount() << endl;
    cout << "sp3:: " << *sp3 << ", pCount:: " << sp3.getCount() << endl << endl;

    July::shared_ptr<int> sp4(new int(44));
    cout << "构造 sp4, sp4:: " << *sp4 << ", pCount:: " << sp4.getCount()
         << endl << endl;

    sp2 = sp4;
    cout << "sp4赋值给sp2, sp2:: " << *sp2 << ", pCount:: " << sp2.getCount()
         << endl << endl;
    cout << "sp1:: " << *sp1 << ", pCount:: " << sp1.getCount() << endl << endl;

    sp4 = sp2;
    cout << "sp2赋值给sp4, sp4:: " << *sp4 << ", pCount:: " << sp4.getCount()
         << endl << endl;

    return 0;
}
这段代码的执行结果是:
将 shared_ptr 换成标准库中的(还需要将 调用的getCount()改为use_count()), 依旧是这样:

shared_ptr的循环引用 与 weak_ptr

虽然 shared_ptr 已经很好用了.
但是, 使用不当的话还会出现一种后果很严重的错误. 比如这样用:
struct ListNode {
    int _data;
    July::shared_ptr<ListNode> _prev = nullptr;
    July::shared_ptr<ListNode> _next = nullptr;

    ~ListNode() {
        cout << "~ListNode()" << endl;
    }
};

int main() {
    July::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    July::shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

    cout << node1.getCount() << endl;
    cout << node2.getCount() << endl;
    
    node1->_next = node2;
    node2->_prev = node1;
    
    cout << node1.getCount() << endl;
    cout << node2.getCount() << endl;

    return 0;
}
使用 shared_ptr 管理 ListNode 结构体对象.
而 ListNode 内部 指向前节点和后节点的成员变量, 同样是 shared_ptr<ListNode>类型
那么, 上面的这段代码 执行结果是什么?
看起来很正常. 首先创建了两个节点. 然后分别指向对方, 就像这样:
node1 维护自己的空间资源, 然后 node2->_prev 也维护同一空间, 所以 node1.getCount() 变为2.
node2 维护自己的空间资源, 然后 node1->_next 也维护同一空间, 所以 node2.getCount() 变为2.
看起来很正常. 但是 空间释放了吗?
我们是实现的 shared_ptr 的析构函数中, 如果释放了资源 是会输出delete+地址的.
再加一句话演示一下:
struct ListNode {
    int _data;
    July::shared_ptr<ListNode> _prev = nullptr;
    July::shared_ptr<ListNode> _next = nullptr;

    ~ListNode() {
        cout << "~ListNode()" << endl;
    }
};

int main() {
    July::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    July::shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

    cout << node1.getCount() << endl;
    cout << node2.getCount() << endl;
    
    node1->_next = node2;
    node2->_prev = node1;
    
    cout << node1.getCount() << endl;
    cout << node2.getCount() << endl;
    
    July::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
    cout << "构造 sp1, sp1:: " << *sp1 << ", pCount:: " << sp1.getCount()
         << endl;

    return 0;
}
sp1 的空间释放了, 但是**node1和node2的空间并没有释放!**
用VS调试看看:
可以看到, main 函数执行完return 0;之后, sp1的引用计数从1->0, 资源被销毁.
但是, node1和node2的引用计数 却是从2->1, 而且没有销毁资源. 这是为什么?
来分析一下:

  1. 首先 用shared_ptr构造维护了两个节点: node1 和 node2

    此时, 两块资源空间, 只有各自维护, _pCount 为 1

  2. 在 node1 和 node2 被构造出来的时候, 其各自有两个成员变量 _next 和 _prev 也被构造了出来

  3. 然后, 将 node2 赋值给了 node1->_next

    此时, node2 的资源空间, 就有两个 shared_ptr对象在维护: node2 和 node1->_next

    _pCount 变为2

  4. 将 node1 赋值给了 node2->_prev

    此时, node1 的资源空间, 也就有两个 shared_ptr对象在维护: node1 和 node2->_next

    _pCount 变为2

  5. 然后, 直到执行 return 0;

    按期望来说, main函数结束 node1 和 node2对象生命周期结束, 应该调用析构函数 将维护的资源释放掉

    但是, 很明显 node1 和 node2 析构函数是调用了, 但是资源并没有释放掉.

    因为 在 node1 和 node2 调用析构函数时, 两块资源空间的引用计数都是2, 是不会释放资源的, 只会将对应的引用计数—. 然后将对象摧毁掉.

    也就是说, node1 和 node2 对象被摧毁, 但由于 原node2的_prev还在维护原node1的资源空间, 原node1的_next还在维护原node2的资源空间, 导致两块资源空间没有释放.

    变化如下:

    我们将原node1标号为1号空间, 原node2标号为2号空间

    node1和node2对象被销毁之后, 资源的维护状态就变成了: 1号空间内有对象在维护2号空间, 2号空间内有对象在维护1号空间

    那么 这两块空间就没办法释放 掉了.

    因为, 如果要 释放1号空间资源, 就 需要调用维护着它的 2号空间里的_prev对象 的析构函数. 而 我们知道 析构函数是在 对象生命周期结束时自动调用 的, 想要 2号空间里的_prev对象生命周期结束 就需要 释放2号空间

    而 如果要 释放2号空间资源, 就 需要调用维护着它的 1号空间里的_next对象 的析构函数

    这就成了一个 循环, 然后 释放空间的条件永远无法满足, 空间就无法释放, 也无法访问. 这又是一种内存泄漏.

    这种情况被称为, shared_ptr的循环引用, 即 两块空间内都存在shared_ptr对象 维护着对方空间, 导致释放空间的条件无法满足, 出现内存泄漏.

上面的这种情况, 单使用 shared_ptr是无法解决的.
shared_ptr的循环引用问题, 需要通过 weak_ptr 这个智能指针来解决

weak_ptr

weak_ptr 是一个特殊的智能指针, 它是辅助shared_ptr使用的.
它可以指向shared_ptr指向的对象. 但是, 它只能 访问、管理数据, 不能管理这块资源空间. 即 不参与资源的释放, 也不会使资源空间的引用计数增加.
它就像一个指向shared_ptr指向的对象的普通指针.
并且, weak_ptr只能访问已经存在的对象, 实例化新对象需要使用shared_ptr
所以, 在上述例子中, 我们只需要将 ListNode 节点结构体中的_prev和_next改用weak_ptr管理数据就可以了:
namespace July {
    template <class T>
    class shared_ptr {
    public:
        // RAII思想
        shared_ptr(T* ptr)
            : _ptr(ptr)
            , _pCount(new int(1)) {}

        ~shared_ptr() {
            release();
        }

        shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
            : _ptr(sp._ptr)
            , _pCount(sp._pCount) {
            (*_pCount)++;
        }

        shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
            // 这里需要用 维护资源是否相同来判断 是否需要执行赋值操作
            // 不能只判断对象是否相同, 因为不同对象维护的资源也可能相同
            if (_ptr != sp._ptr) {
                release();

                _ptr = sp._ptr;
                _pCount = sp._pCount;
                ++(*_pCount);
            }
            else {
                // 为了演示
                cout << "自我赋值, 跳过执行" << endl;
            }

            return *this;
        }

        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }

        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

        // 释放资源函数
        // 当前对象的引用计数为1时, 进行资源释放操作
        void release() {
            if (--(*_pCount) == 0 && _ptr) {
                cout << "delete" << _ptr << endl;
                delete _ptr;
                _ptr = nullptr;

                delete _pCount;
                _pCount = nullptr;
            }
        }

        T* get() const {
            return _ptr;
        }

        int getCount() {
            return *_pCount;
        }

    private:
        T* _ptr;
        int* _pCount;
    };

    // 简化版本的weak_ptr实现
    template <class T>
    class weak_ptr {
    public:
        weak_ptr()
            : _ptr(nullptr) {}

        weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
            : _ptr(sp.get()) {}
        
        weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp) {
            _ptr = sp.get();
            return *this;
        }
        
        T& operator*() {
            return *_ptr;
        }
        
        T* operator->() {
            return _ptr;
        }

    private:
        T* _ptr;
    };
} // namespace July

struct ListNode {
    int _data;
    July::weak_ptr<ListNode> _prev;
    July::weak_ptr<ListNode> _next;

    ~ListNode() {
        cout << "~ListNode()" << endl;
    }
};

int main() {
    July::shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
    July::shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

    cout << node1.getCount() << endl;
    cout << node2.getCount() << endl;

    node1->_next = node2;
    node2->_prev = node1;

    cout << node1.getCount() << endl;
    cout << node2.getCount() << endl;

    return 0;
}
修改了, ListNode 之后, 这段代码的运行结果是:
即使 执行了node1->_next = node2; node2->_prev = node1; node1 和 node2的引用计数也不会发生变化. 也就不会影响资源的释放.

智能指针的定制删除器

本文前面介绍智能指针时, 智能指针维护的资源 全部都是new出来的
但是, C++除了new之外 还有new[]. 而new[]开辟的资源 需要使用 delete[]释放. C++是兼容 C语言的, 还可以malloc空间. 这就导致了, 使用智能指针释放资源的方式并不是固定的, 并且开辟空间存储的资源也是不固定的.
智能指针 针对标准内置类型数据, 有一个很好的释放支持.
但如果是自定义类型呢?
class Date {
public:
    ~Date() {
        cout << "~Date" << endl;
    }

private:
    int _year = 1;
    int _month = 1;
    int _day = 1;
};

int main() {
    std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
    std::shared_ptr<Date> sp2(new Date[10]);

    return 0;
}
执行后, 输出的第一行是 ~Date 说明 new 出来的正常释放了.
但是, new[]出来的数据, 没法释放 进程直接崩溃了.
那么, 怎么才能让智能指针 支持对各种类型的数据, 各种开辟的方法实现正常的释放呢?
这就需要用到 定制删除器的概念了:
查看文档中 unique_ptr的模板 和 shared_ptr的构造函数
unique_ptr的模板中, 实际有两个模板参数, 一个是资源类型, 另一个 则是仿函数-定制删除器 用来指定资源的释放方式
shared_ptr的构造函数中, 也有一个可以传入del的重载, 这也是需要传入定制删除器的
定制删除器实际 就是释放资源方式的仿函数.
还是以上面的代码为例, 我们在 构造智能指针时, 传入一个lambda表达式:
int main() {
    std::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
    std::shared_ptr<Date> sp2(new Date[10], [](Date* d){ delete [] d; });

    return 0;
}
这段代码的执行结果:
很顺利的释放了所有资源

C++11智能指针 和 boost智能指针的关系

其实这两个东西之间的关系非常容易解释.
我们每个人肯定或多或少都玩过游戏. 他们之间的关系 就好像 游戏的体验服 和 正式服之间的关系.
Boost库是一个非常强大且广泛使用的C++库集合, 它包含了一系列为C++开发提供便利的库, 旨在 扩展C++标准库的功能. Boost库的开发遵循严格的编程规范和高质量标准, 因此其代码质量和性能得到了广泛认可.
许多 Boost 库的作者本身就是 C++ 标准委员会成员, 因此，Boost“天然”成了标准库的后备, 负责向新标准输送组件, 这也使得 Boost 获得了“准”标准库的美誉
而 C++11中的三个智能指针 unique_ptr shared_ptr weak_ptr 就是从 Boost库中优化过来的.

  1. C++ 98 中产生了第一个智能指针 auto_ptr, 这个智能指针太离谱

  2. C++ Boost给出了更实用的 scoped_ptr 和 shared_ptr 和 weak_ptr.

  3. C++ TR1, 引入了shared_ptr等. 不过注意的是TR1并不是标准版。

  4. C++ 11, 引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr.

需要注意的是 unique_ptr 对应的就是 Boost库中的scoped_ptr, 改了个名字
并且这些智能指针的实现原理是参考Boost中的实现的
有关C++智能指针的内容, 就介绍到这里
感谢阅读~
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作者： 哈米d1ch 发表日期：2023 年 7 月 9 日

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