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前言

接下来我们一起来学习什么是智能指针~

一、什么是智能指针

1. 为什么需要智能指针？

在 C++ 中，手动管理内存可能会导致 内存泄漏 和 未定义行为。为了更直观地理解，我们来看下面这段代码，它可能存在的问题：

分析 Func 函数中的问题

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

    cout << div() << endl;  // 可能抛出异常

    delete p1;
    delete p2;
}

潜在问题：

  1. 异常导致的内存泄漏

    • div() 可能抛出异常（如除 0 错误）。
    • 如果异常发生，delete p1 和 delete p2 不会被执行，导致 内存泄漏。

  2. 手动管理内存容易出错

    • 开发者需要时刻记住 new 了就要 delete，一旦遗漏，就会导致 内存泄漏。
    • 代码复杂后，容易误用 delete，引发 重复释放（double free） 或 悬垂指针（dangling pointer）。

2. 什么是智能指针?

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）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。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：

  1. 不需要显式地释放资源。
  2. 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>
class SmartPtr {
public:
    SmartPtr(T* ptr = nullptr)
       : _ptr(ptr)
   {}
    ~SmartPtr()
   {
        if(_ptr)
            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()
{
 ShardPtr<int> sp1(new int);
    ShardPtr<int> sp2(new int);
 cout << div() << endl;
}

3. 智能指针原理

智能指针起到的作用：

  1. 对象管理资源释放
  2. 正常指针的作用

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此：AutoPtr模板类中还得需要将* 、->重载下，才可让其像指针一样去使用

二、auto_ptr

1. auto_ptr模拟实现代码

namespace jyf
{
	template<class T>
	class auto_ptr
	{
	public:
		// RAII
		// 像指针一样
		auto_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}

		~auto_ptr()
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}

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

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

		// ap3(ap1)
		// 管理权转移
		auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
			:_ptr(ap._ptr)
		{
			ap._ptr = nullptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
	};
}

2. auto_ptr缺陷——悬空

auto_ptr的缺陷是不能进行拷贝，一旦拷贝，就会出现管理权转移——
在这里插入图片描述
这样被拷贝的智能指针就会被置空，一旦我们对其进行操作就会报错，在实际开发中是禁止使用auto_ptr的~

#include"SmartPtr.h"

class A
{
public:
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{
		cout << "A(int a = 0)" << endl;
	}

	~A()
	{
		cout << this;
		cout << " ~A()" << endl;
	}
	//private:

	int _a;
};

int main()
{
	// C++98 一般实践中，很多公司明确规定不要用这个
	jyf::auto_ptr<A> ap1(new A(1));
	jyf::auto_ptr<A> ap2(new A(2));

	// 管理权转移，拷贝时，会把被拷贝对象的资源管理权转移给拷贝对象
	// 隐患：导致被拷贝对象悬空，访问就会出问题
	//jyf::auto_ptr<A> ap3(ap1);

	// 崩溃
	//ap1->_a++;
	//ap3->_a++;

	return 0;
}

三、unique_ptr

1. unique_ptr模拟实现代码

template<class T>
	class unique_ptr
	{
	public:
		// RAII
		// 像指针一样
		unique_ptr(T* ptr)
			:_ptr(ptr)
		{}

		~unique_ptr()
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
		}

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

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

		// ap3(ap1)
		// 管理权转移
		// 防拷贝
		unique_ptr(unique_ptr<T>& ap) = delete;
		unique_ptr<T>& operator=(unique_ptr<T>& ap) = delete;
	private:
		T* _ptr;
	};

2. unique_ptr缺陷——不能拷贝

unique_ptr解决auto_ptr的方法非常简单，那就是禁止了拷贝，这一点可以声明拷贝写私有来实现，也可以这样实现：

unique_ptr(unique_ptr& ap) = delete;
unique_ptr& operator=(unique_ptr& ap) = delete;

int main()
{
	// C++11  简单粗暴，不让拷贝
	jyf::unique_ptr<A> up1(new A(1));
	jyf::unique_ptr<A> up2(new A(2));

	//bit::unique_ptr<A> up3(up1);
	//up1 = up2;

	return 0;
}

四、shared_ptr

1. shared_ptr模拟实现代码

  1. 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。
  2. 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。
  3. 如果引用计数是0，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；
  4. 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，否则其他对象就成野指针了。
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
	// RAII
	// 像指针一样
	shared_ptr(T* ptr = nullptr)
		:_ptr(ptr)
		, _pcount(new int(1))
	{}

	~shared_ptr()
	{
		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			cout << "delete:" << _ptr << endl;
			delete _ptr;
			delete _pcount;
		}
	}

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

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

	// sp3(sp1)
	shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
		:_ptr(sp._ptr)
		, _pcount(sp._pcount)
	{
		++(*_pcount);
	}

	// sp1 = sp5
	// sp6 = sp6
	// sp4 = sp5
	shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
	{
		if (_ptr == sp._ptr)
			return *this;

		if (--(*_pcount) == 0)
		{
			delete _ptr;
			delete _pcount;
		}

		_ptr = sp._ptr;
		_pcount = sp._pcount;
		++(*_pcount);

		return *this;
	}

	T* get() const
	{
		return _ptr;
	}

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

这里需要注意的是：

  1. 拷贝的部分要注意自己给自己赋值，拷贝的智能指针如果引用计数归零就要释放，同时被拷贝的引用计数要自增。
  2. shared_ptr实现拷贝通过引用计数的方式，那么怎么做到一个资源管理同一个引用计数呢？——将引用计数写成动态的指针（int* _pcount;）进行管理，相同的资源指向同一个空间（引用计数）就好。
  3. 析构的时候记得析构引用计数。

2. shared_ptr使用演示

int main()
{
	// C++11
	jyf::shared_ptr<A> sp1(new A(1));
	jyf::shared_ptr<A> sp2(new A(2));

	jyf::shared_ptr<A> sp3(sp1);
	sp1->_a++;
	sp3->_a++;

	cout << sp1->_a << endl;

	jyf::shared_ptr<A> sp4(sp2);
	jyf::shared_ptr<A> sp5(sp4);

	sp1 = sp5;
	sp3 = sp5;

	jyf::shared_ptr<A> sp6(new A(6));
	sp6 = sp6;
	sp4 = sp5;

	// cout << sp6->_a << endl;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

3. shared_ptr缺陷——循环引用

shared_ptr也是有缺陷的，那就是会引发循环引用。

什么是循环引用呢？
如下代码：

struct Node
{
	A _val;


	jyf::shared_ptr<Node> _next;
	jyf::shared_ptr<Node> _prev;
};

int main()
{
	// 循环引用
	jyf::shared_ptr<Node> sp1(new Node);
	jyf::shared_ptr<Node> sp2(new Node);

	sp1->_next = sp2;
	sp2->_prev = sp1;


	return 0;
}

上述代码运行时就会导致无法析构如下：
在这里插入图片描述

原因是这样的：

首先，
jyf::shared_ptr sp1(new Node);
jyf::shared_ptr sp2(new Node);
这两个sp1与sp2析构了以后其内部的_next与_prev并没有析构,
接下来_next直线原来sp2的空间,_prev指向原来sp1的空间，导致相互嵌套，无法析构。
在这里插入图片描述

五、weak_ptr

1. weak_ptr解决shared_ptr循环引用的问题

在shared_ptr我们可以看到有循环引用的问题，导致无法析构，要解决这个问题，只需把Node中的shared_ptr换成weak_ptr就可以解决了。

weak_ptr并不是传统意义上的智能指针，它只共享资源，并不参与引用计数的资源管理。可以说weak_ptr的出现就是专门去解决循环引用问题的。

struct Node
{
	A _val;

	//jyf::shared_ptr<Node> _next;
	//jyf::shared_ptr<Node> _prev;

	jyf::weak_ptr<Node> _next;
	jyf::weak_ptr<Node> _prev;
	// weak_ptr不是RAII智能指针，专门用来解决shared_ptr循环引用问题
	// weak_ptr不增加引用计数，可以访问资源，不参与资源释放的管理
};

在这里插入图片描述

2. weak_ptr模拟代码实现

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;
};

注意：

  1. 提供无参的构造与用shared_ptr构造的构造函数
  2. shared_ptr中要提供get()函数来拿到指针sp

六、智能指针的定制删除器

如果不是new出来的对象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。

1. 定制删除器的使用

定制删除器实在智能指针构造的时候增加一个参数，可以用函数指针，仿函数，与lambda来实现，以达到我们想要的删除模式。

template<class T>
struct DeleteArray
{
	void operator()(T* ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
};

// 定制删除器
int main()
{
	jyf::shared_ptr<A> sp1(new A[10], DeleteArray<A>());
	jyf::shared_ptr<A> sp2((A*)malloc(sizeof(A)), [](A* ptr) {free(ptr); });
	jyf::shared_ptr<FILE> sp3(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
		cout << "fclose:" << ptr << endl;
		fclose(ptr);
		});

	jyf::shared_ptr<A> sp1(new A);

	return 0;
}

2. shared_ptr定制删除器模拟代码实现

	template<class T>
	class shared_ptr
	{
	public:
		// RAII
		// 像指针一样
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
		{}

		// function<void(T*)> _del;
		template<class D>
		shared_ptr(T* ptr, D del)
			: _ptr(ptr)
			, _pcount(new int(1))
			, _del(del)
		{}

		~shared_ptr()
		{
			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				cout << "delete:" << _ptr << endl;
				//delete _ptr;
				_del(_ptr);

				delete _pcount;
			}
		}

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

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

		// sp3(sp1)
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			:_ptr(sp._ptr)
			, _pcount(sp._pcount)
		{
			++(*_pcount);
		}

		// sp1 = sp5
		// sp6 = sp6
		// sp4 = sp5
		shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
		{
			if (_ptr == sp._ptr)
				return *this;

			if (--(*_pcount) == 0)
			{
				delete _ptr;
				delete _pcount;
			}

			_ptr = sp._ptr;
			_pcount = sp._pcount;
			++(*_pcount);

			return *this;
		}

		T* get() const
		{
			return _ptr;
		}

	private:
		T* _ptr;
		int* _pcount;

		function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
	};

定制删除器（Deleter）在 shared_ptr 中的实现思路

在 shared_ptr 设计中，定制删除器（Deleter）允许我们在 shared_ptr 释放资源时，不仅仅局限于 delete，还能执行 用户自定义的释放逻辑（例如关闭文件、释放数据库连接等）。

📌 定制删除器的关键实现

template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del)
    : _ptr(ptr)
    , _pcount(new int(1))
    , _del(del)  // 保存用户提供的删除器
{}

🌟 核心点

  • 允许用户传入 自定义删除器 del，存储到 _del 变量中。
  • _del 是一个 std::function<void(T*)> 类型的可调用对象，默认行为是 delete ptr;。
  • 在 ~shared_ptr() 析构时，调用 _del(_ptr) 来释放资源。

#📌 ~shared_ptr() 析构函数

~shared_ptr()
{
    if (--(*_pcount) == 0)
    {
        cout << "delete:" << _ptr << endl;
        _del(_ptr); // 调用用户提供的删除器
        delete _pcount;
    }
}

📌 _del 变量（默认删除器）

function<void(T*)> _del = [](T* ptr) { delete ptr; };
  • _del 是一个 std::function<void(T*)> 类型的变量，默认执行 delete ptr;。
  • 优势：
    • 允许用户在 shared_ptr 创建时传入自定义删除器（如关闭文件、释放资源）。
    • 如果用户不传入 _del，默认使用 delete 释放内存。

📌 结论

  1. 默认情况下，shared_ptr 直接 delete 资源，但 支持用户自定义删除器，让 shared_ptr 能够管理更多类型的资源，如 文件、套接字、数据库连接等。
  2. 实现方式：使用 std::function<void(T*)> 存储删除器，并在析构时执行 _del(_ptr);。
  3. 应用场景：
    • delete 以外的资源释放（如 fclose、free、[]）。
    • 需要额外的清理逻辑，如日志记录、缓存清理等。

🔹 智能指针 + 定制删除器 = 更安全、更灵活的资源管理！ 🚀

总结

到这里我们智能指针就讲完啦~谢谢大家！

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