第23课 优先选用make系列函数

一. make系列函数

（一）三个make函数

　　1. std::make_shared：用于创建shared_ptr。GCC编译器中，其内部是通过调用std::allocate_shared来实现的。

　　2. std::make_unique：C++14中加入标准库。

　　3. std::allocate_shared：行为和std::make_shared一样，只不过第1个实参是个用以动态分配内存的分配器对象。

//make_unique的模拟实现
template<typename T, typename...Ts>
std::unique_ptr<T> make_unique(Ts&&...params)
{
    return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<Ts>(params)...));
}

//make_shared的实现（GCC编译器）
template<typename _Tp, typename... _Args>
inline shared_ptr<_Tp> make_shared(_Args&&... __args)
{
    typedef typename std::remove_const<_Tp>::type _Tp_nc;
    return std::allocate_shared<_Tp>(std::allocator<_Tp_nc>(),
                   std::forward<_Args>(__args)...);
}

（二）与new相比，make系列函数的优势

　　1. 避免代码冗余：创建智能指针时，被创建对象的类型只需写1次。如make_shared<T>()，而用new创建智能指针时，需要写2次。

　　2. 异常安全：make系列函数可编写异常安全代码，改进了new的异常安全性。

　　3. 提升性能：编译器有机会利用更简洁的数据结构产生更小更快的代码。使用make_shared<T>时会一次性进行内存分配，该内存单块（single chunck）既保存了T对象又保存与其相关联的控制块。而直接使用new表达式，除了为T分配一次内存，还要为与其关联的控制块再进行一次内存分配。 

二. make系列函数的局限

（一）所有的make系列函数都不允许自定义删除器。

（二）make系列函数创建对象时，不能接受{}初始化列表。（这是因为完美转发的转发函数是个模板函数，它利用模板类型进行推导。因此无法将“{}”推导为initializer_list，具体见《完美转发》一课）。换言之，make系列只能将圆括号内的形参完美转发。

（三）自定义内存管理的类(如重载了operator new 和operator delete),不建议使用make_shared来创建。原因如下：

　　1. 重载operator new和operator delete时，往往用来分配和释放该类精确尺寸(sizeof(T))的内存块。

　　2. 而make_shared创建的shared_ptr，是一个自定义了分配器(std::allocate_shared)和删除器的智能指针，由allocate_shared分配的内存大小也不等于上述的尺寸，而是在此基础上加上控制块的大小。

　　3. 因此，不建议使用make函数为那些重载了operator new和operator delete的类创建对象。

（四）对象的内存可能无法及时回收

　　1. make_shared 只分配一次内存，减少了内存分配的开销。使得控制块和托管对象在同一内存块上分配。而控制块是由shared_ptr和weak_ptr共享的，因此两者共同管理着这个内存块（托管对象+控制块）。

　　2. 当强引用计数为0时，托管对象被析构（即析构函数被调用），但内存块并未被回收，只有等到最后一个weak_ptr离开作用域时，弱引用也减为0才会释放这块内存块。原本强引用减为0时就可以释放的内存, 现在变为了强引用和弱引用都减为0时才能释放, 意外的延迟了内存释放的时间。这对于内存要求高的场景来说, 是一个需要注意的问题。

　　3.因此，当内存紧张且托管对象非常大时，如果weak_ptr的生命期比shared_ptr更长时，不建议使用make_shared。

【编程实验】make系列函数的优劣

#include <iostream>
#include <memory> //for smart pointer
#include <vector>

using namespace std;

class Widget
{
public:
    Widget(){}
    Widget(int x, int y){ cout << "Widget(int x, int y)" << endl; }
    Widget(const std::initializer_list<int> li) { cout << "Widget(std::initializer_list<int> li)"<< endl; }
};

void processWidget(std::shared_ptr<Widget> spw, int priority){}
int computePriority() { /*throw 1;*/ return 0; }//假设该函数会抛出异常

class ReallyBigType {};//大对象

int main()
{
    //1. make系列函数的优势
    //1.1 避免代码冗余，减少重复书写类型
    auto upw1(std::make_unique<Widget>());    //使用make系列函数，Widget只需写一次
    std::unique_ptr<Widget> upw2(new Widget); //使用new，Widget需写二次。

    //1.2 make系统异常安全性更高
    //在将实参传递processWidget前，各个参数时必须先被计算出来，假设顺序如下（因编译器和调用约定而异）
    //A. 先new Widget，即一个Widget对象在堆上创建。
    //B. 执行computePriority，但假设此时该函数产生异常，那上面的堆对象就会泄漏。
    //C. 正常流程下，应执行shared_ptr构造函数，但由于第2步的异常，使得第1步分配的堆对象永远不会被这个
    //   shared_ptr接管（实际上该shared_ptr自己都没有机会创建），于是资源泄漏！
    processWidget(shared_ptr<Widget>(new Widget), computePriority());//潜在资源泄漏！
    
    //异常安全！
    processWidget(make_shared<Widget>(), computePriority()); //如果make_shared首先被调用当computePriority
                                                             //发生异常时，则之前的shared_ptr会被释放，
                                                             //从而释放Widget对象。如果computePriority先
                                                             //调用，则make_shared没有机会被调用，也就不会
                                                             //有资源泄漏！
    //1.3 make_shared一次性分配内存
    auto spw1 = std::make_shared<Widget>(); //一次性分配一个内存单块，可容纳Widget对象和控制块内存
    std::shared_ptr<Widget> spw2(new Widget); //2次分配：new和分配控制块各一次。

    //2. make系列函数的局限性
    //2.1 make不能自定义删除器
    auto widgetDeleter = [](Widget* pw) {delete pw; };
    std::unique_ptr<Widget, decltype(widgetDeleter)> upw3(new Widget, widgetDeleter);
    std::shared_ptr<Widget> spw3(new Widget, widgetDeleter);

    //2.2 make系列函数不能接受{}初始化
    auto upv = std::make_unique<std::vector<int>>(10, 20); //10个元素，每个都是20。而不是只有两个元素
    auto spv = std::make_shared<std::vector<int>>(10, 20); //同上

    auto pw1 = new Widget(10, 20);   //使用圆括号，匹配Widget(int x, int y)
    auto pw2 = new Widget{ 10, 20 }; //使用大括号，匹配Widget(initializer_list)
    delete pw1;
    delete pw2;

    auto spw = std::make_shared<Widget>(10, 20); //使用圆括号，匹配Widget中非initializer_list形参的构造函数
    //auto spw = std::make_shared<Widget>({10,20}); //error，make无法转发大括号初始化列表（原因见《完美转发》一课）
    auto initList = { 10, 20 }; //initList推导为initializer_list<int>
    auto splst = std::make_shared<Widget>(initList); //ok，匹配Widget(const std::initializer_list<int> li) 

    //2.3 对象的内存可能无法及时回收
    auto pBigObj = std::make_shared<ReallyBigType>(); //通过make_shared创建大对象
    //...   //创建指向大对象的多个std::shared_ptr和std::weak_ptr，并使用这些智能指针来操作对象
    //...   //最后一个指向大对象的shard_ptr在此析构，但若干weak_ptr仍然存在
    //...   //此时，内存块只析构，还没回收。因为weak_ptr还共享着内存块中的控制块
    //...   //最后一个指向大对象的weak_ptr析构，内存块（托管对象+控制块）才被回收。由于weak_ptr的生命期比shared_ptr长，
            //出现了内存块延迟回收的现象。

    //使用new方法则不会出现上述现象
    shared_ptr<ReallyBigType> pBigObj2(new ReallyBigType); //通过new，而不是make_shared创建
    //...   //同前，创建指向多个指向大对象的shared_ptr和weak_ptr。
    //...   //最后一个指向大对象的shard_ptr在此析构，但若干weak_ptr仍然存在。此时大对象的内存由于强引用为0，被回收。
    //...   //此阶段，仅控制块占用的内存处于未回收状态。
    //...   //最后一个指向该对象的weak_ptr析构，控制块被回收。

    return 0;
}