C++面向对象（OOP）编程-智能指针
本文旨在通过比较简单的语言理解智能指针，区分三种智能指针shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。同时解决shared_ptr循环引用的问题。
目录
1 为什么引入智能指针
2 智能指针的定义
3 智能指针的分类
3.2 unique_ptr
3.3 weak_ptr
4 智能指针的使用
4.1 auto_ptr
4.2 unique_ptr
4.4 weak_ptr
5 简单对比4种智能指针
6 常见面试题
6.1 智能指针的分类？以及各自的特点
6.2 unique_ptr 能否被另一个 unique_ptr 拷贝呢？
6.13 weak_ptr的原理？weak_ptr的使用场景
6.14 weak_ptr如何检测指针是否被销毁
1 为什么引入智能指针
为了解决内存泄露等问题，使用RALL机制，即资源获取即初始化，使用构造函数进行资源的初始化，使用析构函数进行资源的释放。这种情况下仍然会有内存泄漏问题，由此引入智能指针。
一个例子：
#include
using namespace std;
class Object{
public:
Object()
{
cout << "Create Object!" << endl;
}
~Object()
{
cout << "Free Object!" << endl;
}
void run()
{
cout << "The test is to test smart pointer!" << endl;
}
void throw_test()
{
throw -1;
}
};
int main(){
try{
{
Object* pObj = new Object();
// pObj->run();
pObj->throw_test();
cout << "test1" << endl;
delete pObj;
cout << "test2" << endl;
}
}catch(...){
cout << " 捕捉到异常！" << endl;
}
return 0;
} 运行结果：
分析上述代码：
throw_test() 被调用后，抛出异常，此时下面的不能被执行，因此delete没有生效，会造成内存泄露，如果对于类似的忘记进行delete也会造成内存的泄露。
对此，C++C++之父Bjarne Stroustrup提出了 RAII(Resource Acquisition Is Initialization) 机制，
翻译过来就是“资源获取就是初始化”。
RAII要求由对象的构造函数完成资源的分配，同时由析构函数，完成资源的释放。在这种要求下，只要对象能正确地析构，就不会出现资源泄露问题。而 C++智能指针 正是RAII的实践。
构造函数与析构函数的名字需要与类名一致。
最早在c++98引入auto_ptr智能指针，但不太完善，在c++11弃用，c++17彻底删除。所以现在智能指针一般指的是C++11后引入的智能指针。
几种智能指针：
- auto_ptr：已经不用了
- unique_ptr：独占式指针，同一时刻只能有一个指针指向同一个对象
- shared_ptr：共享式指针，同一时刻可以有多个指针指向同一个对象
- weak_ptr：用来解决shared_ptr相互引用导致的死锁问题
版本：
c++ 版本: c++98 c++03 c++11 c++14 c++17 c++20
c 版本: c89 c90 c95 c99 c11 c17
2 智能指针的定义
智能指针是C++11引入的类模板，用于管理资源，行为类似于指针，但不需要手动申请、释放资源，所以称为智能指针。
所以智能指针的本质是类模板。
3 智能指针的分类
3.1 shared_ptr
shared_ptr使用了引用计数（use count）技术，当复制个shared_ptr对象时，被管理的资源并没有被复制，而是增加了引用计数。当析构一个shared_ptr对象时，也不会直接释放被管理的的资源，而是将引用计数减一。当引用计数为0时，才会真正的释放资源。shared_ptr可以方便的共享资源而不必创建多个资源。
3.2 unique_ptr
unique_ptr则不同。unique_ptr独占资源，不能拷贝，只能移动。移动过后的unique_ptr实例不再占有资源。当unique_ptr被析构时，会释放所持有的资源。
3.3 weak_ptr
weak_ptr可以解决shared_ptr所持有的资源循环引用问题。weak_ptr在指向shared_ptr时，并不会增加shared_ptr的引用计数。所以weak_ptr并不知道shared_ptr所持有的资源是否已经被释放。这就要求在使用weak_ptr获取shared_ptr时需要判断shared_ptr是否有效。
struct A;
struct B{
std::shared_ptr boo;
};
struct A{
std::shared_ptr foo;
};A中有一个智能指针指向B，而B中也有一根智能指针指向A，这就是循环引用，我们可以使用weak_ptr来解决这个问题。
A boo;
auto foo = boo.foo.lock();
if(foo)
{
//这里通过获取到了foo，可以使用
}else
{
//这里没有获取到，不能使用
}4 智能指针的使用
4.1 auto_ptr
std::auto_ptr 在c++11 以及以上版本被弃用,只能在c++11以下，包括c++03 c++98 等可以使用。
smart_ptr
智能指针本质上是一个对象，用来托管对象的地址，可以通过pobj.get()来获取其托管对象的地址
ptr.get() 与*ptr 都是取其对象的值
auto_ptr 在所有权被转移后，如果访问原来的智能指针，造成程序的错误，因此逐渐被弃用
此外auto_ptr对象并不能作为STL容器的元素，因为C++的STL容器对于容器元素类型的要求是有值语义，即可以赋值和复制，
auto_ptr在赋值和复制时都进行了特殊操作；也不能声明为数组，因为auto_ptr无法识别数组，其内部析构时是用的delete而非delete []，它只会析构一次，导致内存泄漏：
auto_ptr意义不明确，使用浅拷贝方式时，两个对象拥有同一块资源，这样就会调用两次析构函数，有可能导致程序崩溃。
例子：
#include
#include
using namespace std;
typedef struct student_t
{
int value;
string name;
}stu;
/* c++ 版本: c++98 c++03 c++11 c++14 c++17 c++20
* c 版本: c89 c90 c95 c99 c11 c17
*
*
*/
/*
* std::auto_ptr 在c++11 以及以上版本被弃用,只能在c++11以下，包括c++03 c++98 等可以使用
*
*
*/
int main(int argc,char * argv[])
{
#if 1
// smart_ptr pobj(new type(value)); 只能去这样定义，因为其构造函数阻止了其隐式转换
// 智能指针本质上是一个对象，用来托管对象的地址，可以通过pobj.get()来获取其托管对象的地址
// ptr.get() 与*ptr 都是取其对象的值
// auto_ptr 在所有权被转移后，如果访问原来的智能指针，造成程序的错误，因此逐渐被弃用
// 此外auto_ptr对象并不能作为STL容器的元素，因为C++的STL容器对于容器元素类型的要求是有值语义，即可以赋值和复制，
// auto_ptr在赋值和复制时都进行了特殊操作；也不能声明为数组，因为auto_ptr无法识别数组，其内部析构时是用的delete而非delete []，它只会析构一次，导致内存泄漏：
// auto_ptr意义不明确，使用浅拷贝方式时，两个对象拥有同一块资源，这样就会调用两次析构函数，有可能导致程序崩溃
// 不适应auto_ptr的指针
/*
* ①auto_ptr之间不能共享拥有权
一个auto_ptr不能指向另一个auto_ptr所拥有的对象，否则，当第一个指针删除该对象后，另一个指针就会指向一个已经被销毁的对象，此时如果再使用那个指针进行读写操作，就会引发错误。
②不存在针对array而设计的auto_ptr
auto_ptr不可以指向array，因为auto_ptr是通过delete而不是delete[ ]来释放其所拥有的对象。
③auto_ptr并不是一个全能的、“四海通用”型的指针
并非任何适用智能型指针的地方，都适用auto_ptr。
④auto_ptr不满足STL容器对其元素的要求
由于在拷贝和赋值动作之后，原本的auto_ptr和新产生的auto_ptr并不相等。原本的auto_ptr会交出拥有权，而不是拷贝给新的auto_ptr。
*
*
*/
auto_ptr ptr(new int(100));
// ptr.release(); // 取消对对象的托管
int *ptr1 = ptr.get();
cout << "ptr1: " << ptr1 << " " << *ptr1 << endl;
cout << "ptr: " << ptr.get() << " " << *ptr << endl;
*ptr = 20;
cout << *ptr << endl;
cout << "**********" << endl;
auto_ptr ptr3(ptr); //转移对象的所有权
cout << "ptr3: " << ptr3.get() << " " << *ptr3 << endl;
// cout << *ptr << endl; // 此时ptr已经被清空
auto_ptr ptr4 = ptr3; //转移对象的所有权 ，这里是重载赋值
cout << "ptr4: " << ptr4.get() << " " << *ptr4 << endl;
// cout << *ptr3 << endl; // 此时ptr3已经被清空
// ptr4.reset(obj) 用来替换智能指针管理的对象，如果传入的为空，则释放托管对象资源并置空，如果传入另一指针，先释放前一指针，再托管后面的。
ptr4.reset(new int(67));
cout << "After ptr4: " << ptr4.get() << " " << *ptr4 << endl;
stu *stu1 = new stu();
stu1->name = "Tom";
stu1->value = 19;
auto_ptr stu_ptr1(stu1); //用stu_ptr1来管理所托管的对象
// auto_ptr stu_ptr2(stu1);
cout << "name: " << stu1->name << " years_old: " << stu1->value << endl;
cout << "name: " << stu_ptr1->name << " years_old: " << stu_ptr1->value << endl;
#endif
return 0;
} 运行结果：
4.2 unique_ptr
unique_ptr采用独享语义，在任何给定时刻，只能有一个指针管理内存。当指针超出作用域时，内存将自动释放，而且该类型的指针不可copy，只可以move。
（1）unique_ptr 不支持拷贝和赋值，只支持转移
（2）unique_ptr 不支持拷贝构造函数和赋值重载函数，禁用掉，只能转移使用
（3）使用原始指针申请的动态内存不会在程序结束时，自动释放会造成内存泄露，unique_ptr会在程序运行周期结束时自动调用析构函数来释放掉其申请的内存，不易造成内存的泄漏
一个例子：
#include
#include
using namespace std;
typedef struct ARRAY_t
{
int data[10];
}ARRAY;
int main(int argc, char *argv[])
{
int *pp = new int(19);
unique_ptr p1(new int(19));
// unique_ptr p1 = pp; // 不能这样定义，因为其析构阻止了隐式定义
// unique_ptr p3 = p1; // 不能这样定义，因为unique_ptr不支持拷贝赋值，只支持转移
// unique_ptr p3(p1); // 不能这样定义，因为unique_ptr不支持拷贝赋值，只支持转移
int *p2 = p1.get();// 普通指针
printf("value: %d %d \n",*p1.get(),*p2);
printf("addr: %p %p \n",p1.get(),p2);
unique_ptr p3;
// p1.release();//释放 p1 的所有权
p1.reset(new int(90)); // p1.reset(obj) 用来替换智能指针管理的对象，如果传入的为空，则释放托管对象资源并置空，如果传入另一指针，先释放前一指针，再托管后面的。
p3.swap(p1);// 将p1的所有权转移给p3，p1设置为nullptr
if (p1.get() == nullptr)
{
printf("P1 is moved!\n");
}
int *p4 = p3.get();// 普通指针
// if (p1.)
printf("value: %d %d \n",*p3.get(),*p4);
printf("addr: %p %p \n",p3.get(),p4);
// 对数组的操作，auto_ptr不能对数组操作，因为其定义为delete obj 没有 delete[] obj
ARRAY data1;
for (int i = 0;i < 10;i++)
{
data1.data[i] = i + 2;
}
unique_ptr p6(new ARRAY(data1));
printf("value: %d \n",p6.get()->data[8]);
return 0;
} 运行结果：
分析上述结果：
unique_ptr是独享所有权，不支持copy包括构造函数的拷贝，支持move，相对于auto_ptr，它支持数组。
4.3 shared_ptr
shared_ptr通过引用计数，析构释放内存空间，实现对内存的动态管理
（1）一块空间可以由多个shared_ptr管理,通过引用计数的方式进行管理，直到引用计数为0才会删除掉该对象
（2）一个shared_ptr可以管理一块空间,当一个shared_ptr指向新的对象时，原来的对象的所有的shared_ptr 的引用数减1
（3）shared_ptr可能会有循环引用问题，循环引用问题可以通过weak_ptr解决
（4）普通指针不能直接赋值给shared_ptr
（5）shared_ptr支持copy转移等
一个例子：
#include
#include
using namespace std;
int main(int argc, char *argv[])
{
shared_ptr p1(new int(10));
int *p2 = p1.get();
shared_ptr p3 = p1;
shared_ptr p4(p1);
printf("Value: %d %d \n",*p1.get(),*p2);
printf("Addr: %p %p \n",p1.get(),p2);
printf("p1.count: %ld \n",p1.use_count());
// p3.reset();
printf("Value: %d %d \n",*p4.get(),*p2);
printf("Addr: %p %p \n",p4.get(),p2);
printf("p1.count: %ld \n",p4.use_count());
shared_ptr p5(new int(88));
shared_ptr p6 = p5;
// p4.swap(p5); // 支持所有权的转移
p4 = p5;
printf("p1.count: %ld p3.count: %ld \n",p4.use_count(),p3.use_count());
printf("value p4: %d \n",*p4.get());
return 0;
} 运行结果：
分析代码：
很明显可以看出，shared_ptr支持转移和copy等。通过引用计数来实现对一个对象的管理。
4.4 weak_ptr
弱引用的智能指针
share_ptr虽然已经很好用了，但是有一点share_ptr智能指针还是有内存泄露的情况，当两个对象相互使用一个shared_ptr成员变量指向对方，会造成循环引用，使引用计数失效，从而导致内存泄漏。
weak_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的shared_ptr， weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。
weak_ptr 设计的目的是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作, 它只可以从一个 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。
一个例子;
#include
#include
#define CIRCULAR_REFER
using namespace std;
#ifdef CIRCULAR_REFER
struct Node
{
shared_ptr prev;
shared_ptr next;
};
#else
struct Node
{
weak_ptr prev;
weak_ptr next;
};
#endif
int main(int argc, char *argv[])
{
shared_ptr node1(new Node);
shared_ptr node2(new Node);
std::cout << "node1.use_count: " << node1.use_count() << std::endl;
std::cout << "node2.use_count: " << node2.use_count() << std::endl;
node1->next = node2;
node2->prev = node1;
std::cout << "node1.use_count: " << node1.use_count() << std::endl;
std::cout << "node2.use_count: " << node2.use_count() << std::endl;
std::cout << "WEAK node2.use_count: " << node2->prev.use_count() << std::endl;
std::cout << "******************" << std::endl;
return 0;
} 运行结果：
CIRCULAR_REFER 被定义时，shared_ptr进入循环引用
CIRCULAR_REFER没有被定义时，使用weak_ptr解决循环引用
5 简单对比4种智能指针
std::unique_ptr是一种独占式智能指针，它拥有对资源的唯一所有权。这意味着一份资源只能由一个std::unique_ptr对象管理，不能被复制，只能通过移动语义来转移所有权。通常用于管理动态分配的内存资源，确保资源在超出作用域时能被正确释放。
std::shared_ptr允许多个指针共享同一资源，这是通过使用引用计数实现的。只有指向动态分配的对象的指针才能交给shared_ptr对象托管。将指向普通局部变量、全局变量的指针交给shared_ptr托管，编译器会报错。当没有任何shared_ptr对象再指向某一对象时，该对象会被自动删除以避免内存泄漏。
std::weak_ptr是一种不控制资源的弱引用智能指针，它主要是为了解决shared_ptr可能会出现的循环引用问题而设计的。weak_ptr主要用于解决shared_ptr的循环引用问题，它不会增加对象的引用计数。
已被摒弃的auto_ptr是C++98提出的，但由于存在一些问题（如无法处理环形数据结构等），在C++11中已被unique_ptr替代。
6 常见面试题
6.1 智能指针的分类？以及各自的特点
最早在c++98引入auto_ptr智能指针，但不太完善，在c++11弃用，c++17彻底删除。所以现在智能指针一般指的是C++11后引入的智能指针。
几种智能指针：
- auto_ptr：已经不用了
- unique_ptr：独占式指针，同一时刻只能有一个指针指向同一个对象
- shared_ptr：共享式指针，同一时刻可以有多个指针指向同一个对象
- weak_ptr：用来解决shared_ptr相互引用导致的死锁问题
6.2 unique_ptr 能否被另一个 unique_ptr 拷贝呢？
不能，因为它把它的拷贝构造函数private了。但是它提供了一个移动构造函数，所以可以通过std::move将指针指向的对象交给另一个unique_ptr，转交之后自己就失去了这个指针对象的所有权，除非被显示交回。
6.3 unique_ptr 和 shared_ptr 的区别
（1）所有权
unique_ptr代表的是专属所有权，不支持复制和赋值。但是可以移动shared_ptr 代表的是共享所有权，shared_ptr 是支持复制的和赋值以及移动的。
（2）资源消耗上
unique_ptr 在默认情况下和裸指针的大小是一样的。所以 内存上没有任何的额外消耗，性能是最优的，我们大多数场景下用到的应该都是 unique_ptr。
shared_ptr 的内存占用是裸指针的两倍。因为除了要管理一个裸指针外，还要维护一个引用计数。因此相比于 unique_ptr, shared_ptr 的内存占用更高。在使用 shared_ptr 之前应该考虑，是否真的需要使用 shared_ptr, 而非 unique_ptr。
6.4 unique_ptr = unique_ptr和shared_ptr=shared_ptr这两个操作有什么后果呢？
unique_ptr
这个操作是不允许的，因为unique_ptr它的原理是将拷贝构造和拷贝赋值私有化，但是它提供了移动构造和移动赋值。所以如果你想要使用=赋值，必须先把右边的用std::move包裹一下，这样右边的unique_ptr就会失去所有权，左边的unique_ptr就会得到对应对象的所有权。
shared_ptr
对于左边的指针，它会将自己的引用计数减一，然后检测一下是不是减到了0，如果是，那么delete所管理的对象，然后将右边的引用计数和管理对象赋值给左边，此时两边指向同一个对象，共享同一个引用计数，然后引用计数++。
6.5 shared_ptr 的移动赋值时发生了什么事情
- 首先它会检查本指针和参数指针是不是同一个对象，如果是，直接返回
- 然后，先把本指针的引用变量–，如果发现减到了0，就把参数指针和参数引用变量析构掉并置NULL
- 最后，本指针和参数指针指向同一个对象以及引用计数，然后引用计数自增1
6.6 shared_ptr 什么时候会被释放掉，就是什么时候引用次数为0？
- 在一个shared_ptr析构时，或者被赋值时，强引用计数会减1。减到0就delete资源
6.7 shared_ptr 你是怎么实现的
shared_ptr 内部是利用引用计数来实现内存的自动管理，每当复制一个 shared_ptr，引用计数会 + 1。当一个 shared_ptr 离开作用域时，引用计数会 - 1。当引用计数为 0 的时候，则 delete 内存。
关键在于多个对象持有同一个引用对象，第一次创建指针的时候可以new一个int，然后大家都有一个int指针就可以共用了。
shared_ptr应该要有三个成员：
裸指针：指向所要管理的对象
强引用计数：就是一个int指针，记录了有多少个shared_ptr指向裸指针
弱引用计数：也是一个int指针，记录了有多少个weak_ptr指向裸指针
6.8 shared_ptr是不是线程安全
- 不是
- 引用计数的增减是原子操作没问题，但是shared_ptr的读写本身不只包括引用计数操作，还包括资源所有权的操作，这两个操作合起来不是原子的
- 如果要求线程安全必须加锁
一个shared_ptr错误使用引起的线程不安全：
#include
#include
#include
#include
struct Foo
{
Foo(int i):i_(i){}
void print() {std::cout << i_ << std::endl;}
int i_;
};
int main(int argc, char const *argv[])
{
{
auto shptr = std::make_shared(42);
std::thread([&shptr](){
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
shptr->print();
}).detach();
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
return 0;
}
编译报错
将传入线程的智能指针的引用变成对象就不会报错，因此，对于智能指针，应该尽量避免传递引用。
6.9 sharedPtr在64位操作系统下大小有多大
在64位系统中，一个指针变量的大小是8个字节。因此，一个shared_ptr变量的大小为16个字节。这是因为一个shared_ptr变量包含了两个指针，一个用于指向对象，另一个用于管理引用计数。
6.10 shared_ptr和weak_ptr之间是什么关系？
weak_ptr是用来辅助shared_ptr的，每一个weak_ptr它指向weak_ptr而不是实际的操作函数
6.11 为什么推荐用make_shared创建指针
优点是：
它分配的时候，只分配一次，而shared_ptr的构造函数需要分配两次。效率更高更安全。
缺点是：
如果有weak_ptr不推荐使用，否则会出现知道最后一个weak_ptr被释放了才真正去释放管理的。
6.12 为什么要用 shared_from_this?
我们往往会需要在类内部使用自身的 shared_ptr，例如：
class Widget
{
public:
void do_something(A& a)
{
a.widget = 该对象的 shared_ptr;
}
}我们需要把当前 shared_ptr 对象同时交由对象 a 进行管理。意味着，当前对象的生命周期的结束不能早于对象 a。因为对象 a 在析构之前还是有可能会使用到 a.widget。
如果我们直接 a.widget = this;， 那肯定不行， 因为这样并没有增加当前 shared_ptr 的引用计数。shared_ptr 还是有可能早于对象 a 释放。
如果我们使用 a.widget = std::make_shared(this);，肯定也不行，因为这个新创建的 shared_ptr，跟当前对象的 shared_ptr 毫无关系。当前对象的 shared_ptr 生命周期结束后，依然会释放掉当前内存，那么之后 a.widget 依然是不合法的。
对于这种，需要在对象内部获取该对象自身的 shared_ptr, 那么该类必须继承 std::enable_shared_from_this。代码如下:
class Widget : public std::enable_shared_from_this
{
public:
void do_something(A& a)
{
a.widget = shared_from_this();
}
} 这样才是合法的做法。
6.13 weak_ptr的原理？weak_ptr的使用场景
shared_ptr中有一个成员时，弱引用计数。往weak_ptr被赋值时，弱引用计数自增1
（1）用来解决悬空指针问题。通过std::shared_ptr管理数据并将std::weak_ptr提供给数据用户，用户可以通过expired()或者lock()来检测数据的有效性
（2）打破shared_ptr相互引用导致死锁的问题。方法：将任意一个改为weak_ptr
（3）有时候我们需要“如果对象还活着，就调用它的成员函数，否则忽略之”的语意
（4）缓存对象
6.14 weak_ptr如何检测指针是否被销毁
expired()：
判断强引用计数是否为0
如果返回true，那么被观测的对象(也就是shared_ptr管理的资源)已经不存在了
6.15 如何将weak_ptr转换为shared_ptr
用lock():
如果expired()为true，返回一个空shared_ptr，否则返回非空shared_ptr。