【C++ 】智能指針：內存管理的 “自動導航儀”

一、引入

二、智能指針的兩大特性：

1、RAII

特點：

好處：

2、行為像指針

三、智能指針起初的缺陷：拷貝問題

四、幾種智能指針的介紹。

1、C++98出現的智能指針——auto_ptr

auto_ptr解決上述拷貝構造的問題：

2、boost庫

3、unique_ptr

4、shared_ptr

引用計數的實現：

賦值運算符的問題：（循環引用）

5、weak_ptr

特點：

解決循環引用問題：

五、C++智能指針的基本框架：

六、定制刪除器，以及包裝器的使用場景之一

七、內存泄漏：

1、什么是內存泄漏，內存泄漏的危害：

2、內存泄漏的分類

八、關于C++智能指針的相關代碼：

std::unique_ptr

std::shared_ptr

std::weak_ptr

前些天發現了一個巨牛的人工智能學習網站，通俗易懂，風趣幽默，忍不住分享一下給大家

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一、引入

首先通過一個使用場景來引入智能指針，如下：
class HF
{
public:HF(int a, int b):_a(a),_b(b){cout << "HF(int a, int b)" << endl;};~HF(){cout << "~HF()" << endl;}
private:int _a = 0;int _b = 1;
};void fun()
{HF* h1 = new HF(1, 1);HF* h2 = new HF(1, 1);HF* h3 = new HF(1, 1);delete h1;delete h2;delete h3;
}int main()
{try{fun();}catch (exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
} 
這里有一個類HF，一個子函數fun，在fun里面new了三個HF對象，然后delete，正常情況下delete會先調用析構函數，然后再釋放相應的資源：

二、智能指針的兩大特性：

智能指針的兩大特性：

1、RAII

2、行為像指針

1、RAII

是一種利用對象生命周期來控制程序資源（如內存、文件句柄、網絡連接、互斥量等等）的簡單技術。

（通俗來講，就是將資源交給一個類對象來管理，通過該類的構造函數交給對象。）

特點：

在對象構造時獲取資源，接著控制對資源的訪問使之在對象的生命周期內始終保持有效，最后在對象析構的時候釋放資源。

好處：

（1）、不需要顯式地釋放資源，而是通過智能指針間接幫忙釋放

（2）、采用這種方式，對象所需的資源在其生命期內始終保持有效

2、行為像指針

智能指針實際也是一個類，要是行為像一個指針，即要重載解引用（*）,箭頭（->）,甚至有時還要重載方括號（[ ]）。

三、智能指針起初的缺陷：拷貝問題

首先我們實現一個簡易版智能指針：

new了一個日期類對象交給智能指針管理，智能指針對象存在期間，資源都是存在的，最后智能指針對象生命周期結束，調用析構函數釋放，同時釋放掉資源（delete）；
template<class T>
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if (_ptr)delete _ptr;}T& operator*() { return *_ptr; }T* operator->() { return _ptr; }
private:T* _ptr;
};
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);// 需要注意的是這里應該是sparray.operator->()->_year = 2018;// 本來應該是sparray->->_year這里語法上為了可讀性，省略了一個->sparray->_year = 2018;sparray->_month = 1;sparray->_day = 1;return 0;
}
但是當我們用對象sp1去拷貝構造sp2時：

此時就會報錯：

原因在于我們沒有實現拷貝構造，此時默認拷貝構造就是淺拷貝，這樣兩個對象的成員變量都會指向這份資源，最后調用析構函數時，就會對這份資源delete兩次，從而造成野指針的問題。如何解決這個問題，在第四點進行介紹。

四、幾種智能指針的介紹。

1、C++98出現的智能指針——auto_ptr

頭文件：memory

具體信息可以查看官網文檔。

auto_ptr解決上述拷貝構造的問題：

auto_ptr是直接將資源的管理權轉移，用對象sp1去拷貝構造sp2，那么就會將sp1的資源的管理權交給sp2管理，而sp1被置空。

大致處理方法如下：拷貝后將sp1置空就行了：

注意，C++11的移動語義也是資源的轉移，但和這里是不一樣的，移動語義是針對將亡值去轉移資源，而這里sp1不是將亡值。

這樣做是有些問題的，這里資源轉移后，sp1就懸空了，此時拷貝后就不能去訪問sp1，否則就會出現空指針的問題，所以很多公司都禁止使用auto_ptr；

2、boost庫

提到智能指針，就得提一下boost庫，boost庫是C++第三方庫，里面就有智能指針，而C++的智能指針就是從這個庫里面引入的，然后進行了略微修改。

3、unique_ptr

該智能指針解決拷貝構造的問題的方法就是：簡單粗暴，禁止拷貝，適用于不需要拷貝的場景。

底層實際就是將拷貝構造給delete了：

同時，賦值運算符重載也要禁掉，默認生成的賦值運算符重載也是淺拷貝。

4、shared_ptr

當遇到需要拷貝構造的場景時，就需要使用shared_ptr，shared_ptr解決拷貝構造的問題的方法是：引用計數，去解決多次析構的問題。

引用計數的實現：

引用計數：記錄當前有幾個對象參與管理這個資源，在某個對象析構時，就將引用計數減1，當最后一個對象析構時才去釋放資源。

要實現引用計數，就需要一份資源對應一個計數，有人會想到定義一個靜態成員count，但實則不行，因為靜態成員是屬于整個類的，屬于所有對象。管理一個資源的時候是可以解決的，但當第二個資源出現時，就不能適用了，因為不同資源之間的引用計數都是同一個靜態成員變量，所以會相互影響。

實際上的實現如下：

增加一個成員變量*pcount，即指向引用計數的指針，在構造的時候（即資源來了），就new一個計數給該指針，在拷貝構造發生的時候，除了使兩個對象指向同一個資源外，兩個對象的引用計數也要指向同一個，并且要記得把引用計數++一下，在某個對象析構時，就將引用計數減1，然后判斷是否為最后一個對象的析構，如果是的話就釋放資源。

賦值運算符的問題：（循環引用）

shared_ptr雖然解決了拷貝構造的問題，但正因為引用計數的這樣實現，又會造成賦值運算符重載后出現問題。

賦值運算符簡單重載：

為了分析這里的缺陷，我們引入一個場景：雙向鏈表的賦值：

這是雙向鏈表的簡單實現

因為會將鏈表資源交給智能指針管理，如下：

所以鏈表的定義中，成員next和prev的類型也應該是智能指針，不然在賦值的時候會出現類型不同的問題，正因為需要這樣設計，問題就來了。

一般情況上述實現是沒有問題的，但當執行下面兩句代碼后，問題就來了：

這是在鏈接兩個節點，鏈接完后就會這樣：

首先出現兩個節點分別由n1和n2指向，此時兩個節點的引用計數分別都是1，當執行n1->next = n2時，n2指向的節點的引用計數就會變成2；當執行n2->prve = n1時，n1指向的節點的引用計數就會變成2。

最后當析構鏈表時：

這樣就形成了一個閉環，導致這兩個節點的內存泄漏，這個問題也叫循環引用。當兩個shared_ptr互相引用就會出現循環引用的問題。

5、weak_ptr

為了解決shared_ptr的循環引用問題，所以引入了weak_ptr。

特點：

weak_ptr的特點：沒有引用計數，支持默認構造，構造函數的形參沒有指針，因為該智能指針不參與資源管理，但自身成員變量會有一個指針，但會被置空，weak_ptr的重點在于拷貝構造和賦值。