本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

引入

试想一下：

如果用户malloc申请出来的空间没有进行释放，那就存在内存泄漏的问题。
再者说异常安全问题。如果在malloc和free之间存在异常抛出，那么还是存在内存泄漏的异常安全问题。

没有内嵌垃圾回收机制的C++，对于它的程序编写人员的要求就十分严苛。那么有没有什么好办法可以智能化管理这些内存呢？有的！这就是今天引入的智能指针，他是RAII思想的一种具像。

RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）资源获取即初始化。

它是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。至此我们可以看到实际上就是把一份资源的责任托管给了一个对象。

这种做法有两大好处：

不需要显式释放资源。析构时自动调用。
采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。

使用RAII思想设计的SmartPtr类：

template<class T>		//泛型，之后有机会讲解
class SmartPtr {
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	{}
	~SmartPtr(){
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}
private:
	T* _ptr;
};

void MergeSort(int* a, int n){
	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
	
	SmartPtr<int> sp(tmp);	// 将tmp指针委托给了sp对象
}	// 离开作用域，生命周期结束，释放托管资源

int main(){
	try {
		int a[5] = { 4, 5, 2, 3, 1 };
		MergeSort(a, 5);
	}
	catch (const exception& e){
		cout << e.what() << endl;
	}
	return 0;
}

上面这个SmartPtr类已经具有智能指针的雏形了，但还不是一个真正意义上的上智能指针，因为它还不具有指针的行为。

指针有两种基本行为：

解引用*读取内容。
可以通过->去访问所指空间中的内容。

因此类中还得需要将* 、->操作符进行重载，才可让其像指针一样去使用。

template<class T>
class SmartPtr{
public:
	//1. RAII
	SmartPtr(T* ptr)
		:_ptr(ptr)
	{}
	
	~SmartPtr(){
		delete _ptr;
	}
	
	//2. 像指针一样使用
	T& operator*(){ return *_ptr; }		//*：返回引用
	T* operator->(){ return _ptr; }		//->：返回指针
	
private:
	T* _ptr;
};

int main(){
	SmartPtr<int> p(new int);
	
	*p = 10;
	p.operator*() = 20;
	
	p->_a1 = 10;	//本应为p->->_a1编译器特殊处理，但为了语法上的可读性，忽略了一个箭头->
	p.operator->()->_a1 = 20;	//本质
	
	return 0;
}

所以智能指针的原理也非常简单明了：

RAII特性
重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

1. auto_ptr

其实早在C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。但是为什么它没有在现代工程使用中大放异彩呢，原因还是它有坑啊~

所有的智能指针的定义都存放在<memory>头文件中。

auto_ptr的实现原理：==管理权转移==的思想。
auto_ptr的坑在于：==当对象拷贝或者赋值后，前对象就悬空了==。所以很多公司规定了不能使用auto_ptr

#include <memory>

class Date{
public:
	Date() { cout << "Date()" << endl; }
	~Date() { cout << "~Date()" << endl; }
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main(){
	auto_ptr<Date> ap(new Date);
	auto_ptr<Date> copy(ap);	//ap 对象悬空
	
	ap->_year = 2018;		//此操作导致程序崩溃
	return 0;
}

底层原理

模拟实现auto_ptr的管理权转移

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

	~AutoPtr(){
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}

	// 一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后令ap与其所管理资源断开联系，这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成的程序崩溃问题
	AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
		: _ptr(ap._ptr){
		ap._ptr = nullptr;
	}

	AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap){
		if (this != &ap){		// 检测是否为自己给自己赋值
			if (_ptr)
				delete _ptr;	// 释放当前对象中资源

			// 转移ap中资源到当前对象中
			_ptr = ap._ptr;
			ap._ptr = nullptr;		//前对象置空
		}
		return *this;
	}

	T& operator*() { return *_ptr; }
	T* operator->() { return _ptr; }
private:
	T* _ptr;
};
int main(){
	AutoPtr<Date> ap(new Date);

	// 底层拷贝之后就把ap对象的指针赋空了，导致ap对象悬空，再通过ap对象访问资源时就会出现问题。
	AutoPtr<Date> copy(ap);
	ap->_year = 2018;		//出错，对空指针进行解引用，非法写入操作
	return 0;
}

这种“卸磨杀驴”式的资源管理方式十分危险，所以还是尽量少用。下面介绍它的改进版：unique_ptr。

2. unique_ptr

unique_ptr的设计思路非常的粗暴：防拷贝，也就是不让拷贝和赋值。

int main(){
	unique_ptr<Date> up(new Date);
	unique_ptr<Date> copy(ap);		//错误
	
	return 0;
}

底层原理

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

	~UniquePtr(){
		if (_ptr)
			delete _ptr;
	}

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

private:
	// C++11 <现代> 防拷贝的方式：delete	删除函数
	UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;		
	UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;

	// C++98 <老式经典> 防拷贝的方式：只声明不实现 + 声明成私有
	//UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
	//UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
	
private:
	T* _ptr;
};

禁止了拷贝构造与赋值，unique_ptr就成了独自管理资源的角色，更加安全。

3. shared_ptr

C++11中开始提供更加靠谱、并支持拷贝的shared_ptr。通过引用计数支持智能指针对象的拷贝。

int main(){
	shared_ptr<Date> sp(new Date);
	shared_ptr<Date> copy(sp);

	cout << "ref count:" << sp.use_count() << endl;
	cout << "ref count:" << copy.use_count() << endl;

	return 0;
}

输出结果：

Date()			//Date类的构造函数
ref count:1		//引用计数为 1
ref count:2		//又来了一个对象管理资源，引用计数为 2
~Date()			//Date类的构造函数

shared_ptr的原理：通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。（例如：高中不同科目的一对一老师共同管理一个学生，最后一个老师的课程上完学生就可以下课了~）

shared_ptr在其内部给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
当引用计数减到0了，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源。
如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成垂悬指针了。

底层原理

#include <thread>
#include <mutex>
template <class T>
class SharedPtr{
public:
	SharedPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
		, _pRefCount(new int(1))
		, _pMutex(new mutex)
	{}

	~SharedPtr() { Release(); }

	SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
		: _ptr(sp._ptr)
		, _pRefCount(sp._pRefCount)
		, _pMutex(sp._pMutex)
	{
		AddRefCount();
	}

	// 赋值 sp1 = sp2
	SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp){
		//if (this != &sp)
		if (_ptr != sp._ptr){
			// 释放管理的旧资源
			Release();
			// 共享管理新对象的资源，并增加引用计数
			_ptr = sp._ptr;
			_pRefCount = sp._pRefCount;
			_pMutex = sp._pMutex;

			AddRefCount();
		}
		return *this;
	}

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

	int UseCount() { return *_pRefCount; }
	T* Get() { return _ptr; }

	void AddRefCount(){
		// 加锁或者使用加1的原子操作
		_pMutex->lock();
		++(*_pRefCount);
		_pMutex->unlock();
	}
private:
	void Release(){
		bool deleteflag = false;

		// 引用计数减1，如果减到0，则释放资源
		_pMutex->lock();
		if (--(*_pRefCount) == 0){
			delete _ptr;
			delete _pRefCount;
			deleteflag = true;
		}
		_pMutex->unlock();

		if (deleteflag == true)
			delete _pMutex;
	}
private:
	int* _pRefCount;	// 引用计数
	T* _ptr;			// 指向管理资源的指针
	mutex* _pMutex;		 // 互斥锁
};
int main(){
	SharedPtr<int> sp1(new int(10));
	SharedPtr<int> sp2(sp1);
	*sp2 = 20;

	//sp1与sp2在管理这部分资源，引用计数为2
	cout << sp1.UseCount() << endl;		//2	
	cout << sp2.UseCount() << endl;		//2 

	SharedPtr<int> sp3(new int(10));
	sp2 = sp3;		//sp3赋值给它，释放管理的旧资源，引用计数-1，
	cout << sp1.UseCount() << endl;		//1
	cout << sp2.UseCount() << endl;		//2
	cout << sp3.UseCount() << endl;		//2

	sp1 = sp3;
	cout << sp1.UseCount() << endl;		//3
	cout << sp2.UseCount() << endl;		//3
	cout << sp3.UseCount() << endl;		//3

	system("pause");
	return 0;
}

shared_ptr的线程安全

通过下面的程序我们来测试shared_ptr的线程安全问题。需要注意的是shared_ptr的线程安全分为两方面：

智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或--，并不是原子操作，引用计数原来是1，++了2次，可能还是2。这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、--是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的。
智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。

void SharePtrFunc(SharedPtr<Date>& sp, size_t n){
	cout << sp.Get() << endl;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i){
		// 智能指针拷贝会++计数，智能指针析构会--计数，这里是线程安全的。
		SharedPtr<Date> copy(sp);
		// 这里智能指针访问管理的资源，不是线程安全的。
		
		// 	这些值按我们循环控制两个线程++应该为2n次，但是最终看到的结果，并不一定是加了2n
		// 非原子操作++：
		copy->_year++;
		copy->_month++;
		copy->_day++;
	}
}
int main(){
	SharedPtr<Date> p(new Date);
	cout << p.Get() << endl;

	const size_t n = 100;
	thread t1(SharePtrFunc, p, n);
	thread t2(SharePtrFunc, p, n);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << p->_year << endl;
	cout << p->_month << endl;
	cout << p->_day << endl;
	return 0;
}

演示引用计数线程安全问题，就是把AddRefCount和SubRefCount中加的锁去掉！
演示可能不出现线程安全问题，因为线程安全问题是偶现性问题，main函数的n改大一些，基数大了，概率就变大了，就更容易出现线程不安全。
上面代码我们使用自己实现的SharedPtr演示，是为了方便演示引用计数的线程安全问题，将代码中的SharedPtr换成shared_ptr进行测试，可以验证库的shared_ptr，发现结论是一样的：【引用计数是线程安全的，但访问管理的资源不是线程安全的】。

shared_ptr的循环引用

struct ListNode{
	int _data;
	shared_ptr<ListNode> _prev;
	shared_ptr<ListNode> _next;

	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main(){
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

	cout << node1.use_count() << endl;		//1
	cout << node2.use_count() << endl;		//1

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

	cout << node1.use_count() << endl;		//2
	cout << node2.use_count() << endl;		//2

	return 0;
}

分析：

node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，不用手动delete进行释放。
node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点、_prev还指向上一个节点。也就是说_next析构了，node2就释放了。同样如果_prev析构了，node1就释放了。
但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
输出结果里也并没有打印析构函数中的字符串，说明占用了内存没有释放~

解决方案：在引用计数的场景下，把节点中的_prev和_next改成weak_ptr就可以了。原理就是：

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

发生上述代码情况时，weak_ptr的_next和_prev不会增加node1和node2的引用计数。

4. weak_ptr

代码可以修改为weak_ptr版本：

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

	~ListNode() { cout << "~ListNode()" << endl; }
};
int main(){
	shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
	shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);

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

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

	cout << node1.use_count() << endl;
	cout << node2.use_count() << endl;
	return 0;
}

输出结果：

所以使用weak_ptr就解决了shared_ptr的循环引用问题。

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计数的增加或减少。
weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用时的死锁问题。如果说两个shared_ptr相互引用,那么这两个指针的引用计数永远不可能下降为0，资源永远不会释放。
weak_ptr是对对象的一种弱引用，不会增加对象的引用计数，和shared_ptr之间可以相互转化，shared_ptr可以直接赋值给它，它可以通过调用lock函数来获得shared_ptr。

那如果内存不是在堆上申请的，即并非通过new操作符完成的，要如何通过智能指针管理呢？

其实shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题，它的本质是一个仿函数。

// 仿函数的删除器
template<class T>
struct FreeFunc {
	void operator()(T* ptr){
		cout << "free:" << ptr << endl;
		free(ptr);
	}
};

template<class T>
struct DeleteArrayFunc {
	void operator()(T* ptr){
		cout << "delete[]" << ptr << endl;
		delete[] ptr;
	}
};

int main(){
	FreeFunc<int> freeFunc;
	shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
		//调用了单个对象的仿函数删除器

	DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
	shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
		//调用了多个对象的仿函数删除器

	return 0;
}

C++11与boost库智能指针

C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr
C++ TR1引入了shared_ptr等。不过TR1并不是标准版，没有流行起来。
C++ 11引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。

（unique_ptr对应boost库的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost库中的实现）

lock_guard与unique_lock

智能指针是RAII思想的一个具体体现，同时还有一系列包含RAII思想的产品：例如C++11中的守卫锁（lock_guard）：防止异常安全导致的死锁问题。具体表现为将锁托管给一个对象进行管理，出了作用域对象要进行析构，守卫锁的析构函数中包含锁的解锁语句，可以很好的处理异常安全带来的死锁问题。

另外还有一个与之类似的unique_lock：区别是unique_lock支持程序员手动加锁与解锁。而lock_guard只负责RAII。

以下简单抽象出守卫锁的模拟实现，以便读者理解：

#include <thread>
#include <mutex>

template<class Mutex>
class LockGuard{
public:
	LockGuard(Mutex& mtx)
		:_mutex(mtx){
		_mutex.lock();
	}
	~LockGuard(){
		_mutex.unlock();
	}
	LockGuard(const LockGuard<Mutex>&) = delete;
private:
	// 注意这里必须使用引用，否则锁的就不是一个互斥量对象
	Mutex& _mutex;
};

mutex mtx;
static int n = 0;

void Func(){
	for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i){
		LockGuard<mutex> lock(mtx);
		++n;
	}
}
int main(){
	int begin = clock();
	thread t1(Func);
	thread t2(Func);
	t1.join();
	t2.join();
	int end = clock();
	cout << n << endl;
	cout << "cost time:" << end - begin << endl;

	return 0;
}

输出结果：

2000000
cost time:2148

C++ 智能指针与底层实现剖析

本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

引入

RAII

1. auto_ptr

底层原理

2. unique_ptr

底层原理

3. shared_ptr

底层原理

shared_ptr的线程安全

shared_ptr的循环引用

4. weak_ptr

C++11与boost库智能指针

lock_guard与unique_lock