24.【C++进阶】智能指针（RAII思想、shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr、auto_ptr）
本文介绍了C++智能指针的设计原理与使用方法。首先通过内存泄漏案例展示了智能指针的实用价值，分析了RAII思想在资源管理中的重要性。随后详细讲解了四种标准智能指针：auto_ptr（已弃用）、unique_ptr（独占所有权）、shared_ptr（共享所有权）和weak_ptr（解决循环引用问题），包括其拷贝语义、删除器定制等特性。文章深入剖析了智能指针的底层实现，特别是shared_ptr的引
目录
1. 智能指针的使用场景分析
下面程序中我们可以看到，new了以后，我们也delete了，但是因为抛异常导，后面的delete没有得到执行，所以就内存泄漏了，所以我们需要new以后捕获异常，捕获到异常后delete内存，再把异常抛出，但是因为new本身也可能抛异常，连续的两个new和下面的Divide都可能会抛异常，让我们处理起来很麻烦。智能指针放到这样的场景里面就让问题简单多了。
#include<iostream>
using namespace std;
double Divide(int a, int b)
{
// 当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
throw "Divide by zero condition!";
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
void Func()
{
// 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array1和array2没有得到释放。
// 所以这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面处理，这里捕获了再重新抛出去。
// 但是如果array2 new的时候抛异常呢，就还需要套一层捕获释放逻辑，这里更好解决方案
// 是智能指针，否则代码太挫了
int* array1 = new int[10];
int* array2 = new int[10]; // 抛异常呢,处理很复杂
try
{
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
}
catch (...) // 如果抛异常，则要再catch里面进行delete[]
{
cout << "delete []" << array1 << endl;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array1;
delete[] array2;
throw; // 异常重新抛出，捕获到什么抛出什么
}
// 如果没抛异常则delete[]
cout << "delete []" << array1 << endl;
delete[] array1;
cout << "delete []" << array2 << endl;
delete[] array2;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
}2. RAII和智能指针的设计思路
• RAII是Resource Acquisition Is Initialization的缩写，他是一种管理资源的类的设计思想，本质是一种利用对象生命周期来管理获取到的动态资源，避免资源泄漏，这里的资源可以是内存、文件指针、网络连接、互斥锁等等。RAII在获取资源时把资源委托给一个对象，接着控制对资源的访问，资源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，这样保障了资源的正常释放，避免资源泄漏问题。
• 智能指针类除了满足RAII的设计思路，还要方便资源的访问，所以智能指针类还会想迭代器类一样，重载operator*/operator->/operator[] 等运算符，方便访问资源。
#include<iostream>
using namespace std;
double Divide(int a, int b)
{
// 当b == 0时抛出异常
if (b == 0)
{
throw "Divide by zero condition!";
}
else
{
return (double)a / (double)b;
}
}
template<class T>
class SmartPtr
{
public:
// RAII
SmartPtr(T* ptr)
:_ptr(ptr)
{}
~SmartPtr()
{
cout << "delete[] " << _ptr << endl;
delete[] _ptr;
}
// 重载运算符，模拟指针的行为，方便访问资源
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
T& operator[](size_t i)
{
return _ptr[i];
}
private:
T* _ptr;
};
void Func()
{
// 这里可以看到如果发生除0错误抛出异常，另外下面的array和array2没有得到释放。
// 所以这里捕获异常后并不处理异常，异常还是交给外面处理，这里捕获了再重新抛出去。
// 但是如果array2 new的时候抛异常呢，就还需要套一层捕获释放逻辑，这里更好解决方案
// 是智能指针，否则代码太戳了
// 在这里用只能指针来管理资源。
SmartPtr<int> sp1 = new int[10];
SmartPtr<int> sp2 = new int[10]; // 抛异常呢
SmartPtr<int> sp3 = new int[10]; // 抛异常呢
SmartPtr<int> sp4 = new int[10]; // 抛异常呢
SmartPtr<pair<int, int>> sp5 = new pair<int, int>[10]; // 抛异常呢
int len, time;
cin >> len >> time;
cout << Divide(len, time) << endl;
sp1[5] = 50;
sp5->first = 1;
sp5->second = 2;
cout << sp1[5] << endl;
}
int main()
{
try
{
Func();
}
catch (const char* errmsg)
{
cout << errmsg << endl;
}
catch (const exception& e)
{
cout << e.what() << endl;
}
catch (...)
{
cout << "未知异常" << endl;
}
return 0;
}
3. C++标准库智能指针的使用
• C++标准库中的智能指针都在<memory>这个头文件下面，我们包含<memory>就可以是使用了，智能指针有好几种，除了weak_ptr他们都符合RAII和像指针一样访问的行为，原理上而言主要是解决智能指针拷贝时的思路不同。
• auto_ptr是C++98时设计出来的智能指针，他的特点是拷贝时把被拷贝对象的资源的管理权转移给拷贝对象，这是一个非常糟糕的设计，因为他会到被拷贝对象悬空，访问报错的问题，C++11设计出新的智能指针后，强烈建议不要使用auto_ptr。其他C++11出来之前很多公司也是明令禁止使用这个智能指针的。
• unique_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是唯一指针，他的特点的不支持拷贝（把拷贝构造和拷贝赋值delete掉），只支持移动。如果不需要拷贝的场景就非常建议使用他。
• shared_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是共享指针，他的特点是支持拷贝，也支持移动。如果需要拷贝的场景就需要使用他了。底层是用引用计数的方式实现的。
• weak_ptr是C++11设计出来的智能指针，他的名字翻译出来是弱指针，他完全不同于上面的智能指针，他不支持RAII，也就意味着不能用它直接管理资源，weak_ptr的产生本质是要解决shared_ptr的一个循环引用导致内存泄漏的问题。具体细节下面我们再细讲。
• 智能指针析构时默认是进行delete释放资源，这也就意味着如果不是new出来的资源，交给智能指针管理，析构时就会崩溃。智能指针支持在构造时给一个删除器，所谓删除器本质就是一个可调用对象，这个可调用对象中实现你想要的释放资源的方式，当构造智能指针时，给了定制的删除器，在智能指针析构时就会调用删除器去释放资源。特殊的因为new[]经常使用，所以为了简洁一点，unique_ptr 和 shared_ptr 都特化了一份[]的版本。所以要管理new []的资源，使用时要用以下方式：
unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);• template <class T, class... Args> shared_ptr<T> make_shared (Args&&... args);
• shared_ptr 除了支持用指向资源的指针构造，还支持 make_shared 用初始化资源对象的值
直接构造。
• shared_ptr 和 unique_ptr 都支持了operator bool的类型转换，如果智能指针对象是一个空对象没有管理资源，则返回false，否则返回true，意味着我们可以直接把智能指针对象给if判断是否为空。
• shared_ptr 和 unique_ptr 都得构造函数都使用explicit 修饰，防止普通指针隐式类型转换成智能指针对象。
示例1：auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr的使用
#include<iostream>
using namespace std;
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
~Date()
{
cout << "~Date()" << endl;
}
};
int main()
{
auto_ptr<Date> ap1(new Date);
// 1.auto_ptr拷贝时，管理权限转移，被拷贝对象ap1悬空
auto_ptr<Date> ap2(ap1);
// 空指针访问，ap1对象已经悬空
//ap1->_year++;
// 2.unique_ptr不支持拷贝,但支持移动
unique_ptr<Date> up1(new Date);
//unique_ptr<Date> up2(up1);
// 支持移动，但是移动后up1也悬空，所以使用移动要谨慎
//unique_ptr<Date> up3(move(up1));
// 3.shared_ptr支持拷贝也支持移动，底层是用引用计数的方式实现的。
shared_ptr<Date> sp1(new Date);
// 支持拷贝
shared_ptr<Date> sp2(sp1);
shared_ptr<Date> sp3(sp2);
cout << sp1.use_count() << endl;
sp1->_year++;
cout << sp1->_year << endl;
cout << sp2->_year << endl;
cout << sp3->_year << endl;
return 0;
}示例2：定制删除器
#include<iostream>
#include<memory>
using namespace std;
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
~Date()
{
cout << "~Date()" << endl;
}
};
// 函数指针做删除器
template<class T>
void DeleteArrayFunc(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
// 仿函数定制删除器
template<class T>
class DeleteArray
{
public:
void operator()(T* ptr)
{
delete[] ptr;
}
};
class Fclose
{
public:
void operator()(FILE* ptr)
{
cout << "fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
}
};
int main()
{
// 这样实现程序会崩溃
// unique_ptr<Date> up1(new Date[10]);
// shared_ptr<Date> sp1(new Date[10]);
// 解决方案1
// 因为new[]经常使用，所以unique_ptr和shared_ptr
// 实现了一个特化版本，这个特化版本析构时用的delete[]
unique_ptr<Date[]> up1(new Date[5]);
shared_ptr<Date[]> sp1(new Date[5]);
// 解决方案2:定制删除器
// unique_ptr和shared_ptr支持删除器的方式有所不同
// unique_ptr是在类模板参数支持的，shared_ptr是构造函数参数支持的
// 这里没有使用相同的方式还是挺坑的
// 使用仿函数unique_ptr可以不在构造函数传递，因为仿函数类型构造的对象直接就可以调用
// 但是下面的函数指针和lambda的类型不可以
// 仿函数对象做删除器(unique_ptr两种方式调用删除器都可以)
unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> up2(new Date[5]);
unique_ptr<Date, DeleteArray<Date>> upp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
shared_ptr<Date> sp2(new Date[5], DeleteArray<Date>());
// 函数指针做删除器
unique_ptr<Date, void(*)(Date*)> up3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
shared_ptr<Date> sp3(new Date[5], DeleteArrayFunc<Date>);
// lambda表达式做删除器
auto delArrOBJ = [](Date* ptr) {delete[] ptr; };
unique_ptr<Date, decltype(delArrOBJ)> up4(new Date[5], delArrOBJ);
shared_ptr<Date> sp4(new Date[5], delArrOBJ);
// 实现其他资源管理的删除器
shared_ptr<FILE> sp5(fopen("Test.cpp", "r"), Fclose());
shared_ptr<FILE> sp6(fopen("Test.cpp", "r"), [](FILE* ptr) {
cout << "fclose:" << ptr << endl;
fclose(ptr);
});
return 0;
}
// 总结：
// share_ptr定制删除器 都可以，相对建议lambda
// unique_ptr定制删除器 建议仿函数示例3：make_shared的使用
int main()
{
std::shared_ptr<Date> sp1(new Date(2024, 9, 11));
shared_ptr<Date> sp2 = make_shared<Date>(2024, 9, 11);
shared_ptr<Date> sp4;
// if (sp1.operator bool())
if (sp1)
cout << "sp1 is not nullptr" << endl;
//if (!sp4)
if (!sp4.operator bool())
cout << "sp4 is nullptr" << endl;
// 不支持类型转换+优化
//shared_ptr<Date> sp5 = new Date(2024, 9, 11);
//unique_ptr<Date> sp6 = new Date(2024, 9, 11);
return 0;
}4. 智能指针的原理
• 下面我们模拟实现了auto_ptr和unique_ptr的核心功能，这两个智能指针的实现比较简单，大家了解一下原理即可。auto_ptr的思路是拷贝时转移资源管理权给被拷贝对象，这种思路是不被认可的，也不建议使用。unique_ptr的思路是不支持拷贝。
• 大家重点要看看shared_ptr是如何设计的，尤其是引用计数的设计，主要这里一份资源就需要一个引用计数，所以引用计数采用静态成员的方式是无法实现的，要使用堆上动态开辟的方式，构造智能指针对象时来一份资源，就要new一个引用计数出来。多个shared_ptr指向资源时就++引用计数，shared_ptr对象析构时就--引用计数，引用计数减到0时代表当前析构的shared_ptr是最后一个管理资源的对象，则析构资源。
#include<iostream>
#include<memory>
#include<functional>
#include<atomic>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;
struct Date
{
int _year;
int _month;
int _day;
Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
~Date()
{
cout << "~Date()" << endl;
}
};
namespace csdn
{
template<class T>
class shared_ptr
{
public:
shared_ptr(T* ptr)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new atomic<int>(1))
{}
template<class D>
shared_ptr(T* ptr, D del)
: _ptr(ptr)
, _pcount(new atomic<int>(1))
, _del(del)
{}
~shared_ptr()
{
if (--(*_pcount) == 0)
{
//delete _ptr;
_del(_ptr);
delete _pcount;
}
}
shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
: _ptr(sp._ptr)
, _pcount(sp._pcount)
{
(*_pcount)++;
}
// sp1 = sp4;要考虑自己给自己赋值
shared_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
if (--(*_pcount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pcount;
}
_pcount = sp._pcount;
_ptr = sp._ptr;
++(*_pcount);
}
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
int use_count()
{
return *_pcount;
}
private:
T* _ptr;
//int* _pcount;
atomic<int>* _pcount; // 原子操作
function<void(T*)> _del = [](T* ptr) {delete ptr; };
};
// 需要注意的是我们这里实现的shared_ptr和weak_ptr都是以最简洁的方式实现的，
// 只能满足基本的功能，这里的weak_ptr lock等功能是无法实现的，想要实现就要
// 把shared_ptr和weak_ptr一起改了，把引用计数拿出来放到一个单独类型，shared_ptr
// 和weak_ptr都要存储指向这个类的对象才能实现，有兴趣可以去翻翻源代码
template<class T>
class weak_ptr
{
public:
weak_ptr()
{}
weak_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
:_ptr(sp.get())
{}
weak_ptr<T>& operator=(const shared_ptr<T>& sp)
{
_ptr = sp.get();
return *this;
}
private:
T* _ptr = nullptr;
};
}
int main()
{
csdn::shared_ptr<Date> sp1(new Date);
csdn::shared_ptr<Date> sp2(sp1);
// 拷贝构造
csdn::shared_ptr<Date> sp3 = sp2;
csdn::shared_ptr<Date> sp4(new Date);
sp1->_year++;
sp3->_month++;
// 赋值拷贝
//sp1 = sp4;
sp4 = sp4;
sp1 = sp2;
return 0;
}5. shared_ptr和weak_ptr
5.1 shared_ptr循环引用问题
• shared_ptr大多数情况下管理资源非常合适，支持RAII，也支持拷贝。但是在循环引用的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因，并且学会使用weak_ptr解决这种问题。
• 如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引用计数减到1
1. 右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
2. _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
3. 左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。
4. _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
• 至此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引用，谁都不会释放就形成了循环引用，导致内存泄漏。
• 把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引用计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引用，解决了这里的问题。
示例：循环引用使用weak_ptr解决
struct ListNode
{
int _data;
// ListNode* _next;
// ListNode* _prev;
// std::shared_ptr<ListNode> _next;
// std::shared_ptr<ListNode> _prev;
// 这里改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
// 不增加n2的引用计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引用了
std::weak_ptr<ListNode> _next;
std::weak_ptr<ListNode> _prev;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
// 循环引用 -- 内存泄露
std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
return 0;
}5.2 weak_ptr
• weak_ptr不支持RAII，也不支持访问资源，所以我们看文档发现weak_ptr构造时不支持绑定到资源，只支持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引用计数，那么就可以解决上述的循环引用问题。
• weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr支持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引用计数，weak_ptr想访问资源时，可以调用lock返回一个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是一个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的。
示例：weak_ptr检查指向的share_ptr是否过期。
int main()
{
std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
std::weak_ptr<string> wp = sp1;
cout << wp.expired() << endl; // expired()判断weak_ptr是否过期
cout << wp.use_count() << endl;
// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
sp1 = make_shared<string>("222222");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
sp2 = make_shared<string>("333333");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
// 到此处，weak_ptr指向的内容过期，wp.expired()输出1
wp = sp1;
//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
auto sp3 = wp.lock(); // lock()返回一个share_ptr,从此，就算sp1释放，wp还有保底的sp3保证不会过期
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
*sp3 += "###";
cout << *sp1 << endl;
return 0;
}6. shared_ptr的线程安全问题
• shared_ptr的引用计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进行shared_ptr的拷贝析构时会访问修改引用计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引用计数是需要加锁或者原子操作保证线程安全的。
• shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该有外层使用shared_ptr的人进行线程安全的控制。
• 下面的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr引用计数从int*改成atomic<int>*就可以保证引用计数的线程安全问题，或者使用互斥锁加锁也可以。
shared_ptr自身是线程安全的，它里面的引用计数是加锁的，指向的资源不是线程安全的，需要加锁。
struct AA
{
int _a1 = 0;
int _a2 = 0;
~AA()
{
cout << "~AA()" << endl;
}
};
int main()
{
csdn::shared_ptr<AA> p(new AA);
const size_t n = 100000;
mutex mtx;
auto func = [&]()
{
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这里智能指针拷贝会++计数
csdn::shared_ptr<AA> copy(p);
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_a1++;
copy->_a2++;
}
}
};
thread t1(func);
thread t2(func);
t1.join();
t2.join();
cout << p->_a1 << endl;
cout << p->_a2 << endl;
cout << p.use_count() << endl;
return 0;
}
7. C++11和boost中智能指针的关系
• Boost库是为C++语言标准库提供扩展的一些C++程序库的总称，Boost社区建立的初衷之一就是为C++的标准化工作提供可供参考的实现，Boost社区的发起人Dawes本人就是C++标准委员会的成员之一。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个方向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
• 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/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等.
• C++ TR1，引入了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。
• C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。
8. 内存泄漏
8.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存，一般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：普通程序运行一会就结束了出现内存泄漏问题也不大，进程正常结束，页表的映射关系解除，物理内存也可以释放。长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务、长时间运行的客户端等等，不断出现内存泄漏会导致可用内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。
int main()
{
// 申请一个1G未释放，这个程序多次运行也没啥危害
// 因为程序马上就结束，进程结束各种资源也就回收了
char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];
cout << (void*)ptr << endl;
return 0;
}8.2 如何检测内存泄漏（了解）
• linux下内存泄漏检测
• windows下使用第三方工具
8.3 如何避免内存泄漏
• 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下一条智能指针来管理才有保证。
• 尽量使用智能指针来管理资源，如果自己场景比较特殊，采用RAII思想自己造个轮子管理。
• 定期使用内存泄漏工具检测，尤其是每次项目快上线前，不过有些工具不够靠谱，或者是收费。
• 总结一下：内存泄漏非常常见，解决方案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
一座年轻的奋斗人之城，一个温馨的开发者之家。在这里，代码改变人生，开发创造未来！
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