C++11（四）智能指针

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原图

shared_ptr

实现原理

一个 shared_ptr 对象的内存开销要比裸指针和无自定义 deleter 的 unique_ptr 对象略大。shared_ptr 需要维护的信息有两部分：

指向共享资源的指针
引用计数等共享资源的控制信息——实现上是维护一个指向控制信息的指针

所以，shared_ptr 对象需要保存两个指针。shared_ptr 的 deleter 是保存在控制信息中，所以，是否有自定义 deleter 不影响 shared_ptr 对象的大小。当我们创建一个 shared_ptr 时，其实现一般如下：

1	std::shared_ptr<T> sptr1(new T);

复制一个 shared_ptr ：

1	std::shared_ptr<T> sptr2 = sptr1;

为什么控制信息和每个 shared_ptr 对象都需要保存指向共享资源的指针？可不可以去掉 shared_ptr 对象中指向共享资源的指针，以节省内存开销？

答案是：不能。因为 shared_ptr 对象中的指针指向的对象不一定和控制块中的指针指向的对象一样。

来看一个例子。

struct Fruit {
    int juice;
};

struct Vegetable {
    int fiber;
};

struct Tomato : public Fruit, Vegetable {
    int sauce;
};

 // 由于继承的存在，shared_ptr 可能指向基类对象
std::shared_ptr<Tomato> tomato = std::make_shared<Tomato>();
std::shared_ptr<Fruit> fruit = tomato;
std::shared_ptr<Vegetable> vegetable = tomato;

另外，std::shared_ptr 支持 aliasing constructor。

1 2	template< class Y > shared_ptr( const shared_ptr<Y>& r, element_type* ptr ) noexcept;

Aliasing constructor，简单说就是构造出来的 shared_ptr 对象和参数 r 指向同一个控制块（会影响 r 指向的资源的生命周期），但是指向共享资源的指针是参数 ptr。看下面这个例子。

using Vec = std::vector<int>;
std::shared_ptr<int> GetSPtr() {
    auto elts = {0, 1, 2, 3, 4};
    std::shared_ptr<Vec> pvec = std::make_shared<Vec>(elts);
    return std::shared_ptr<int>(pvec, &(*pvec)[2]);
}

std::shared_ptr<int> sptr = GetSPtr();
for (int i = -2; i < 3; ++i) {
    printf("%d\n", sptr.get()[i]);
}

看上面的例子，使用 std::shared_ptr 时，会涉及两次内存分配：一次分配共享资源对象；一次分配控制块。C++ 标准库提供了 std::make_shared 函数来创建一个 shared_ptr 对象，只需要一次内存分配。

这种情况下，不用通过控制块中的指针，我们也能知道共享资源的位置——这个指针也可以省略掉。

析构

shared_ptr 默认调用 delete 释放关联的资源。如果用户采用一个不一样的析构策略时，他可以自由指定构造这个 shared_ptr 的策略。下面的例子是一个由于采用默认析构策略导致的问题：

class Test {...};
void main( )
{
    shared_ptr<Test> sptr1( new Test[5] );
}

在此场景下，shared_ptr 指向一组对象，但是当离开作用域时，默认的析构函数调用 delete 释放资源。实际上，我们应该调用 delete[] 来销毁这个数组。用户可以通过调用一个函数，例如一个 lamda 表达式，来指定一个通用的释放步骤。

void main( )
{
    shared_ptr<Test> sptr1( new Test[5],
        [ ](Test* p) { delete[ ] p; } );
}

通过指定 delete[] 来析构，上面的代码可以完美运行。

Issues

所有的 shared_ptrs 拥有相同的引用计数，属于相同的组。上述代码工作良好，让我们看另外一组例子。

void main( )
{
    int* p = new int;
    shared_ptr<int> sptr1( p);
    shared_ptr<int> sptr2( p );
}

上述代码会产生一个错误，因为两个来自不同组的 shared_ptr 指向同一个资源。下表给你关于错误原因的图景：

避免这个问题，尽量不要从一个裸指针 (naked pointer) 创建 shared_ptr。

class B;
class A
{
  public:
    A() : m_sptrB(nullptr) { };
    ~A()
    {
     cout<<" A is destroyed"<<endl;
    }
    shared_ptr<B> m_sptrB;
};
class B
{
  public:
    B() : m_sptrA(nullptr) { };
    ~B()
    {
     cout<<" B is destroyed"<<endl;
    }
    shared_ptr<A> m_sptrA;
};

void main( )
{
    shared_ptr<B> sptrB( new B );
    shared_ptr<A> sptrA( new A );
    sptrB->m_sptrA = sptrA;
    sptrA->m_sptrB = sptrB;
}

上面的代码产生了一个循环引用，A 对 B 有一个 shared_ptr, B 对 A 也有一个 shared_ptr ，与 sptrA 和 sptrB 关联的资源都没有被释放，参考下表：

当 sptrA 和 sptrB 离开作用域时，它们的引用计数都只减少到 1，所以它们指向的资源并没有释放！！！！！

如果几个 shared_ptrs 指向的内存块属于不同组，将产生错误。
如果从一个普通指针创建一个 shared_ptr 还会引发另外一个问题。在上面的代码中，考虑到只有一个 shared_ptr 是由 p 创建的，代码可以好好工作。万一程序员在智能指针作用域结束之前删除了普通指针 p。天啦噜！！！又是一个 crash。
循环引用：如果共享智能指针卷入了循环引用，资源都不会正常释放。

为了解决循环引用，C++提供了另外一种智能指针：weak_ptr

Weak_Ptr

原理

std::weak_ptr 要与 std::shared_ptr 一起使用。一个 std::weak_ptr 对象看做是 std::shared_ptr 对象管理的资源的观察者，它不影响共享资源的生命周期：

如果需要使用 weak_ptr 正在观察的资源，可以将 weak_ptr 提升为 shared_ptr
当 shared_ptr 管理的资源被释放时，weak_ptr 会自动变成 nullptr

void Observe(std::weak_ptr<int> wptr) {
    if (auto sptr = wptr.lock()) {
        std::cout << "value: " << *sptr << std::endl;
    } else {
        std::cout << "wptr lock fail" << std::endl;
    }
}

std::weak_ptr<int> wptr;
{
    auto sptr = std::make_shared<int>(111);
    wptr = sptr;
    Observe(wptr);  // sptr 指向的资源没被释放，wptr 可以成功提升为 shared_ptr
}
Observe(wptr);  // sptr 指向的资源已被释放，wptr 无法提升为 shared_ptr

当 shared_ptr 析构并释放共享资源的时候，只要 weak_ptr 对象还存在，控制块就会保留，weak_ptr 可以通过控制块观察到对象是否存活。

enable_shared_from_this

一个类的成员函数如何获得指向自身（this）的 shared_ptr？看看下面这个例子有没有问题？

class Foo {
 public:
  std::shared_ptr<Foo> GetSPtr() {
    return std::shared_ptr<Foo>(this);
  }
};

auto sptr1 = std::make_shared<Foo>();
assert(sptr1.use_count() == 1);
auto sptr2 = sptr1->GetSPtr();
assert(sptr1.use_count() == 1);
assert(sptr2.use_count() == 1);

上面的代码其实会生成两个独立的 shared_ptr，他们的控制块是独立的，最终导致一个 Foo 对象会被 delete 两次。

成员函数获取 this 的 shared_ptr 的正确的做法是继承 std::enable_shared_from_this。

class Bar : public std::enable_shared_from_this<Bar> {
 public:
  std::shared_ptr<Bar> GetSPtr() {
    return shared_from_this();
  }
};

auto sptr1 = std::make_shared<Bar>();
assert(sptr1.use_count() == 1);
auto sptr2 = sptr1->GetSPtr();
assert(sptr1.use_count() == 2);
assert(sptr2.use_count() == 2);

一般情况下，继承了 std::enable_shared_from_this 的子类，成员变量中增加了一个指向 this 的 weak_ptr。这个 weak_ptr 在第一次创建 shared_ptr 的时候会被初始化，指向 this。

似乎继承了 std::enable_shared_from_this 的类都被强制必须通过 shared_ptr 进行管理。

1 2	auto b = new Bar; auto sptr = b->shared_from_this();

使用

现在让我们见识一下 weak_ptr 如何解决循环引用问题：

class B;
class A
{
  public:
    A(  ) : m_a(5)  { };
    ~A( )
    {
     cout<<" A is destroyed"<<endl;
    }
    void PrintSpB( );
    weak_ptr<B> m_sptrB;
    int m_a;
};
class B
{
  public:
    B(  ) : m_b(10) { };
    ~B( )
    {
     cout<<" B is destroyed"<<endl;
    }
    weak_ptr<A> m_sptrA;
    int m_b;
};

void A::PrintSpB( )
{
    if( !m_sptrB.expired() )
    {
     cout<< m_sptrB.lock( )->m_b<<endl;
    }
}

void main( )
{
    shared_ptr<B> sptrB( new B );
    shared_ptr<A> sptrA( new A );
    sptrB->m_sptrA = sptrA;
    sptrA->m_sptrB = sptrB;
    sptrA->PrintSpB( );
}

unique_ptr

unique_ptr 遵循着独占语义。在任何时间点，资源只能唯一地被一个 unique_ptr 占有。当 unique_ptr 离开作用域，所包含的资源被释放。如果资源被其它资源重写了，之前拥有的资源将被释放。所以它保证了他所关联的资源总是能被释放。

创建

1	unique_ptr<int> uptr( new int );

当创建 unique_ptr 时，这一组对象被视作模板参数的部分。这样，程序员就不需要再提供一个指定的析构方法，如下：

1	unique_ptr<int[ ]> uptr( new int[5] );

当把 unique_ptr 赋给另外一个对象时，资源的所有权就会被转移。记住 unique_ptr 不提供复制语义（拷贝赋值和拷贝构造都不可以），只支持移动语义 (move semantics)。

参考文献

https://www.jianshu.com/p/e4919f1c3a28
https://zhuanlan.zhihu.com/p/150555165
《深入理解 C++11：C++11 新特性解析与应用》