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【重学C++】02 脱离指针陷阱：深入浅出 C++ 智能指针

前言

大家好，今天是【重学C++】系列的第二讲，我们来聊聊C++的智能指针。

为什么需要智能指针

在上一讲《01 C++如何进行内存资源管理》中，提到了对于堆上的内存资源，需要我们手动分配和释放。管理这些资源是个技术活，一不小心，就会导致内存泄漏。

我们再给两段代码，切身体验下原生指针管理内存的噩梦。

void foo(int n) {
    int* ptr = new int(42);
    ...
    if (n > 5) {
	    return;
    }
    ...
    delete ptr;
}


void other_fn(int* ptr) {
	...
};
void bar() {
    int* ptr = new int(42);
    other_fn(ptr);
    // ptr == ?
}

在foo函数中，如果入参n > 5, 则会导致指针ptr的内存未被正确释放，从而导致内存泄漏。

在bar函数中，我们将指针ptr传递给了另外一个函数other_fn，我们无法确定other_fn有没有释放ptr内存，如果被释放了，那ptr将成为一个悬空指针，bar在后续还继续访问它，会引发未定义行为，可能导致程序崩溃。

上面由于原生指针使用不当导致的内存泄漏、悬空指针问题都可以通过智能指针来轻松避免。

C++智能指针是一种用于管理动态分配内存的指针类。基于RAII设计理念，通过封装原生指针实现的。可以在资源（原生指针对应的对象）生命周期结束时自动释放内存。

C++标准库中，提供了两种最常见的智能指针类型，分别是std::unique_ptr 和 std::shared_ptr。
接下来我们分别详细展开介绍。

吃独食的unique_ptr

std::unique_ptr 是 C++11 引入的智能指针，用于管理动态分配的内存。每个 std::unique_ptr 实例都拥有对其所包含对象的唯一所有权，并在其生命周期结束时自动释放对象。

创建unique_ptr对象

我们可以std::unique_ptr的构造函数或std::make_unique函数（C++14支持）来创建一个unique_ptr对象，在超出作用域时，会自动释放所管理的对象内存。示例代码如下：

#include <memory>
#include <iostream>
class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};
int main() {
	std::unique_ptr<MyClass> ptr1(new MyClass);
	// C++14开始支持std::make_unique
    std::unique_ptr<int> ptr2 = std::make_unique<int>(10);
    return 0;
}

代码输出：

MyClass constructed
MyClass destroyed

访问所管理的对象

我们可以像使用原生指针的方式一样，访问unique_ptr所指向的对象。也可以通过get函数获取到原生指针。

MyClass* naked_ptr = ptr1.get();
std::cout << *ptr2 << std::endl; // 输出 10

释放/重置所管理的对象

使用reset函数可以释放unique_ptr所管理的对象，并将其指针重置为nullptr或指定的新指针。reset`大概实现原理如下

template<class T> 
void unique_ptr<T>::reset(pointer ptr = pointer()) noexcept { 
	// 释放指针指向的对象
	delete ptr_; 
	// 重置指针
	ptr_ = ptr;
}

该函数主要完成两件事：

1. 释放 std::unique_ptr 所管理的对象，以避免内存泄漏。
2. 将 std::unique_ptr 重置为nullptr或管理另一个对象。

code show time:

#include <iostream>
#include <memory>

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "MyClass constructed" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "MyClass destroyed" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 创建一个 std::unique_ptr 对象，指向一个 MyClass 对象
    std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass);

    // 调用 reset，将 std::unique_ptr 重置为管理另一个 MyClass 对象
    ptr.reset(new MyClass);
    return;
}

移动所有权

一个对象资源只能同时被一个unique_ptr管理。当尝试把一个unique_ptr直接赋值给另外一个unique_ptr会编译报错。

#include <memory>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = p1; // 编译报错
    return 0;
}

为了把一个 std::unique_ptr 对象的所有权移动到另一个对象中，我们必须配合std::move移动函数。

#include <memory>
#include <iostream>
int main() {
    std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(42);
    std::unique_ptr<int> p2 = std::move(p1); // ok
    std::cout << *p2 << std::endl; // 42
    std::cout << (p1.get() == nullptr) << std::endl; // true
    return 0;
}

这个例子中， 我们把p1通过std::move将其管理对象的所有权转移给了p2, 此时p2接管了对象，而p1不再拥有管理对象的所有权，即无法再操作到该对象了。

乐于分享的shared_ptr

shared_ptr是C++11提供的另外一种常见的智能指针，与unique_ptr独占对象方式不同，shared_ptr是一种共享式智能指针，允许多个shared_ptr指针共同拥有同一个对象，采用引用计数的方式来管理对象的生命周期。当所有的 shared_ptr 对象都销毁时，才会自动释放所管理的对象。

创建shared_ptr对象

同样的，C++也提供了std::shared_ptr构造函数和std::make_shared函数来创建std::shared_ptr对象。

#include <memory>
int main() {
	std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
	std::shared_ptr<int> p2 = std::make_shared<int>(20);
	return;
}

多个shared_ptr共享一个对象

可以通过赋值操作实现多个shared_ptr共享一个资源对象，例如

std::shared_ptr<int>p3 = p2;

shared_ptr采用引用计数的方式管理资源对象的生命周期，通过分配一个额外内存当计数器。

当一个新的shared_ptr被创建时，它对应的计数器被初始化为1。每当赋值给另外一个shared_ptr共享同一个对象时，计数器值会加1。当某个shared_ptr被销毁时，计数值会减1，当计数值变为0时，说明没有任何shared_ptr引用这个对象，会将对象进行回收。

C++提供了use_count函数来获取std::shared_ptr所管理对象的引用计数，例如

std::cout << "p1 use count: " << p1.use_count() << std::endl;

释放/重置所管理的对象

可以使用reset函数来释放/重置shared_ptr所管理的对象。大概实现原理如下（不考虑并发场景）

void reset(T* ptr = nullptr) {
	if (ref_count != nullptr) { 
		(*ref_count)--;
		if (*ref_count == 0) { 
			delete data; 
			delete ref_count; 
		} 
	} 
	data = ptr; 
	ref_count = (data == nullptr) ? nullptr : new size_t(1); 
}

data指针来存储管理的资源，指针ref_count 来存储计数器的值。

在 reset 方法中，需要减少计数器的值，如果计数器减少后为 0，则需要释放管理的资源，如果减少后不为0，则不会释放之前的资源对象。

如果reset指定了新的资源指针，则需要重新设置 data 和 ref_count，并将计数器初始化为 1。否则，将计数器指针置为nullptr

shared_ptr使用注意事项

避免循环引用

由于 shared_ptr 具有共享同一个资源对象的能力，因此容易出现循环引用的情况。例如：

struct Node { 
	std::shared_ptr<Node> next; 
};

int main() {
	std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
	node1->next = node2; 
	node2->next = node1;
}

在上述代码中，node1 和 node2 互相引用，在析构时会发现计数器的值不为0，不会释放所管理的对象，产生内存泄漏。

为了避免循环引用，可以将其中一个指针改为 weak_ptr 类型。weak_ptr也是一种智能指针，通常配合shared_ptr一起使用。

weak_ptr是一种弱引用，不对所指向的对象进行计数引用，也就是说，不增加所指对象的引用计数。当所有的shared_ptr都析构了，不再指向该资源时，该资源会被销毁，同时对应的所有weak_ptr都会变成nullptr，这时我们就可以利用expired()方法来判断这个weak_ptr是否已经失效。

我们可以通过weak_ptr的lock()方法来获得一个指向共享对象的shared_ptr。如果weak_ptr已经失效，lock()方法将返回一个空的shared_ptr。

下面是weak_ptr的基本使用示例：

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(42);
    // 创建shared_ptr对应的weak_ptr指针
    std::weak_ptr<int> wp(sp);

	// 通过lock创建一个对应的shared_ptr
    if (auto p = wp.lock()) {
        std::cout << "shared_ptr value: " << *p << std::endl;
        std::cout << "shared_ptr use_count: " << p.use_count() << std::endl;
    } else {
        std::cout << "wp is expired" << std::endl;
    }

	// 释放shared_ptr指向的资源，此时weak_ptr失效
    sp.reset();
    std::cout << "wp is expired: " <<  wp.expired() << std::endl;
    return 0;
}

代码输出如下

shared_ptr value: 42
shared_ptr use_count: 2
wp is expired: 1

回到shared_ptr的循环引用问题，利用weak_ptr不会增加shared_ptr的引用计数的特点，我们将Node.next的类型改为weak_ptr, 避免node1和node2互相循环引用。修改后代码如下

```cpp
struct Node { 
	std::weak_ptr<Node> next; 
};

int main() {
	std::shared_ptr<Node> node1(new Node);
	std::shared_ptr<Node> node2(new Node); 
	node1->next = std::weak_ptr<Node>(node2); 
	node2->next = std::weak_ptr<Node>(node1); ;
}

避免裸指针与shared_ptr混用

先看看以下代码

int* q = new int(9);
{
	std::shared_ptr<int> p(new int(10));
	...
	q = p.get();
}
std::cout << *q << std::endl;

get函数返回 std::shared_ptr 所持有的指针，但是不会增加引用计数。所以在shared_ptr析构时，将该指针指向的对象给释放掉了，导致指针q变成一个悬空指针。

避免一个原始指针初始化多个shared_ptr

int* p = new int(10);
std::shared_ptr<int> ptr1(p);
// error: 两个shared_ptr指向同一个资源，会导致重复释放
std::shared_ptr<int> ptr2(p);

总结

避免手动管理内存带来的繁琐和容易出错的问题。我们今天介绍了三种智能指针：unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。
每种智能指针都有各自的使用场景。unique_ptr用于管理独占式所有权的对象，它不能拷贝但可以移动，是最轻量级和最快的智能指针。shared_ptr用于管理多个对象共享所有权的情况，它可以拷贝和移动。weak_ptr则是用来解决shared_ptr循环引用的问题。

下一节，我们将自己动手，从零实现一个C++智能指针。敬请期待