浅谈智能指针的历史包袱

我们学习C++的时候，想必都会听说一个叫智能指针的东西，在初听这个词的时候，我们都难免不被“智能”两个字所吸引，感觉它会比较高级，让人有种忍不住想用一把的冲动。

但事实上，它可能并没有我们所想的那样“智能”、好用，它本质上其实就是一个对象，它去接管了原指针所管理的资源。但这里单单用一个对象就想有“智能”的效果并没有那么容易。在智能指针发展的过程中，出现了Autor_ptr等多种版本的智能指针，但它们都确都或多或少有一些问题存在（相信早期的前辈们会深有感触）。但智能指针的使用性却是不可否认的。它在实际应用中确实是使用很频繁的，因为它可以帮助我们管理资源，防止内存泄漏、处理异常安全问题，是非常方便的。只要我们对它合理的使用。而对于它的实现，它的来源于一种叫RAII的机制，来了解了解。。

 

RAII机制

---

RAII机制是通过利用对象出了作用域的自动销毁的机理，使得资源也具有了生命周期，有了自动销毁（自动回收）的功能。RAII全称为Resource Acquisition Is Initialization，它源于C++，在Java，C#，D，Ada，Vala和Rust中也有应用，它是在一些面向对象语言中的一种惯用法。翻译过来它意为资源分配即初始化，定义一个类来封装资源的分配和释放，在构造函数完成资源的分配和初始化，在析构函数完成资源的清理，可以保证资源的正确初始化和释放。RAII要求，资源的有效期与持有资源的对象的生命期严格绑定，即由对象的构造函数完成资源的分配(获取)，同时由析构函数完成资源的释放。在这种要求下，只要对象能正确地析构，就不会出现资源泄露问题。

 

智能指针

---

RAII在这里就是简单提一下而已，现在我们来看我们今天的主角智能指针。

 

 所谓智能指针（smart pointer），就是智能/自动化的管理指针所指向的动态资源的释放。它其实是一个对象，当中存储指向动态分配（堆）对象的指针。它的诞生理由就是，为粗心和懒的人设计的，但是这个设计一定不是反人类的，因为无论你有多厉害只要你是人你总会有犯错误的时候，所以智能指针可以很好地帮助我们，程序员每次 new 出来的内存还需要手动去 delete。当流程比较复杂，就有可能忘记delete了。

 不仅仅是这样，异常通常也会导致程序过早退出，进而让delete未得到执行。这时候智能指针就显得格外有用了，因为它们能够确保正确的销毁动态分配的对象。它们也可以用于跟踪被多用户共享的动态分配对象。

 

事实上，智能指针能够做的还有很多事情，例如处理线程安全（加同步锁），提供写时复制，确保协议，并且提供远程交互服务等一系列类似于“前后需要呼应”起来的操作（如new/delete、malloc/free、fopen/fclose、这里线程安全的lock/unlock等，不过注意的是这些是C++11支持）。其实智能指针只是怕你忘了写上delete、free、fclose...，而专门设置出来的一个对象。所以它是有很强的实用性。

 

 

现在我们来看看智能指针的使用。首先一个智能指针至少要符合两点：

 

①拥有RAII的机制来管理指针。对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并非指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针通过析构函数释放它管理的堆内存。

②有指针的基本功能。所有智能指针都重载了“*”和“->”操作符，让它可以直接返回对象的引用以及能用->去操作其指向的对象。若要访问智能指针原来的方法则使用“·”操作符。

③其次就是它还需要考虑深浅拷贝问题（见后面）

 

 

现在就可以来模拟标准库中的智能指针实现一种简单的智能指针 auto_ptr

auto_ptr

---

auto_ptr是第一个版本的智能指针,在C98标准库中就有实现。它的实现思想很简单，就是管理权转移的思想。如下图

 

 

代码：

 /*************************************************************************
   > File Name: AutoPtr.cc
   > Author: tp
   > Mail: 
   > Created Time: Sun 13 May 2018 05:08:41 PM CST
  ************************************************************************/
 
 #include <iostream>
 using namespace std;
 
 struct A
 {
     int age;
     string name;
     A(string na, int a = 0)
         :age(a), name(na)
     { }
 };
 template <class T>
 class AutoPtr
 {
     public:
         AutoPtr(T* ptr)
             :_ptr(ptr) { }
 
         T& operator*()
         {
             return *_ptr;
         }
         T* operator->()
         {
             return _ptr;
         }
         //ap2( ap1)
         AutoPtr(AutoPtr<T>& a) //防止多次析构，ap2直接夺取管理权，ap1._ptr置空
             :_ptr(a._ptr)
         {
             a._ptr = NULL;
         }
         //ap2 = ap1
         AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& a)
         {
             if(this != &a)
             {
                 delete _ptr;
                 _ptr = a._ptr;
                 a._ptr = NULL;
             }
             return *this;
         }
         ~AutoPtr( )
         {
             cout<<"AutoPtr帮助析构
";
             delete _ptr;
         }
 protected:
         T* _ptr;
 };
 int main( void)
 {
     AutoPtr<int> ap1(new int(20));
     cout<<++(*ap1)<<endl;
 
     AutoPtr<A> ap2(new A("napom"));
     cout<<ap2->name<<endl;
 
     return 0;
 }

这里这两个地方，是需要弄清楚的

然后，看一手结果:

 结果感觉还不错，它自动的帮我们做了了空间释放的动作。可是直接夺取管理权的机制那会这么容易让人放心！当我们做一个这样的操作

 

结果发生了段错误，罪魁祸首就是AutoPtr<int>ap3(ap1)构造拷贝出ap3，ap3完全夺取了ap1的管理权，这个过程中会释放原本属于ap1的那段空间，所以导致ap1无家可归，进行 *ap1访问时程序就会崩溃了。同样道理，当进行了ap3 = ap1，程序也存在这样的问题，原因依旧在于ap1被彻彻底底的夺走了一切，这种编程思想是十分危险的。

 

源于它的设计思想的缺陷，所以通常一般不推荐使用Autoptr智能指针。 使用了也绝对不能使用"="和拷贝构造。历史在发展，所以我们见到接下来这种想法: 

 

unique_ptr (scoped_ptr)

---

 由于早期的auto_ptr抢权思想存在严重的缺陷，所以auto_ptr通常是被严禁使用的。但是从C++98到C++11出来期间，C++标准库却迟迟没有给出改良版的智能指针，但是在此期间有一群大牛们就坐不住了，他们在叫一个boost的社区讨论，他们想要自己去造一个第三方库，好去解决C++中的一些诟病同时对c++进行一些完善。这里的scoped_ptr就是其中的一个杰作（后来在C++11出来之后，c++11参考boost版本将scoped_ptr改名为unique_ptr）。它的思想也是特别的直接，它做的就是暴力的防止用户调用拷贝构造和赋值运算符“=”进行夺权管理。它直接将拷贝构造和“=”运算符重载函数给封装起来，以此防止用户来调用或恶意的去实现它。

 /*************************************************************************
   > File Name: ScopedPtr.cc
   > Author: tp
   > Mail: 
   > Created Time: Sun 13 May 2018 06:02:24 PM CST
  ************************************************************************/
 #include <iostream>
 using namespace std;
 
 struct A
 { 
     int age;
     string name;
     A(string na, int a = 0)
         :age(a), name( na)
     { }
 };
 template <class T>
 class ScopedPtr
 { 
     public:
         ScopedPtr(T* ptr)   
             :_ptr(ptr) { }
 
         T& operator*()
         { 
             return *_ptr;
         }
         T* operator->()
         { 
             return _ptr;
         }
         ~ScopedPtr( )
         { 
             cout<<"AutoPtr析构
";
             delete _ptr; 
         }
 protected:
         ScopedPtr(ScopedPtr<T>& a); 
         ScopedPtr<T>& operator=( ScopedPtr<T>& a);
         T* _ptr;
                 
 };

上面的scoped_ptr用于处理单个的对象，而new/delete和new[]/delete[]底层实现机制又是不同的（delete[]头部多开4字节，具体可戳这里）对于new[]出来的多个对象,boost又提供了一个scoped_array版本的智能指针用来管理对象数组，用法和scoped_ptr类似。同样的，上面的auto_ptr也有一个auto_array版本。

scoped_ptr的就好似“你强任你强”，我不给你机会施展，看你怎么夺权管理。这种做法虽然达到了上面的目的。但是这种暴力的思想却带来了新的问题。。由于scoped智能指针独享所有权，当我们真真需要复制智能指针时，需求便满足不了了。如此我们再引入一个更完善智能指针指针，专门用于处理复制，参数传递的情况。这便是如下的shared智能指针。

shared_ptr

---

这算是我们经常会用到的一种智能指针（它在c++11和boost版本名称一样）。智能指针发展到这一步也就比较成熟了，它已经几乎能够解决平常遇到的问题。它较前面的改进就是添加了引用计数，所以在它的内部就不会出现调用多次析构函数导致的程序崩溃，shared_ptrt同时也不像scoped_ptr那样没有拷贝构造和赋值运算符重载，难以被利用。它每次调用析构时，只需要将引用计数减1即可，当指向该资源的引用计数 *_pCount变成0的时候，才真正的去释放资源。

 

和前面一样，在boost中也有一个shared_array版本的智能指针用来管理new[]的对象数组。（C++11没有这个版本）

 

代码：

   > File Name: sharedPtr.cc
   > Author: tp
   > Mail: 
   > Created Time: Sun 13 May 2018 06:11:02 PM CST
  ************************************************************************/
 
 #include <iostream>
 using namespace std;
 struct A
 {
     int age;
     string name;
     A(string na, int a = 0)
         :age(a), name( na)
     { }
 };
 //引用计数版本
 template <class T>
 class SharedPtr
 {
 public:
     SharedPtr( T* ptr)  
         :_ptr(ptr)
          ,_pCount( new int(1))
     { }
     T* operator->( )
     { 
         return _ptr;
     }
     T& operator*( )
     { 
         return *_ptr;
     }
     SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)  //加上const
         :_ptr(sp._ptr)
          ,_pCount(sp._pCount)
     { 
         ++(*_pCount);   
     }
     SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
     { 
         if(this != &sp) 
         { 
             Release( );
             _ptr = sp._ptr;
             _pCount = sp._pCount;
             ++(*_pCount);
         }
         return *this;
     }
     void Release( )
     { 
         if(--(*_pCount) == 0)
         { 
             cout<<"释放空间"<<endl;
             delete _ptr;
             delete _pCount;
             _ptr = NULL;
             _pCount = NULL;
         }
     }
     ~SharedPtr()
     { 
         //cout<<"析构调用"<<endl;
         Release( );
     }
 protected:
     T* _ptr;
     int* _pCount;
 };
 int main( void)
 {   
     SharedPtr<A> sp1(new A("gene"));
     cout<<sp1->name<<endl;
 
     SharedPtr<A> sp2(sp1);
     cout<<sp2->name<<endl;
 
     SharedPtr<A> sp3(new A("codfish"));
     sp3 = sp2;
     cout<<sp3->name<<endl;
 
     return 0;
 }                                                                                           

看一下结果：

我们发现它几乎完美的完成了这些功能，确实！这种指针算是比较完美的思想，不过再完美也会有瑕疵，要不然也不会有boost::weak_ptr的存在，

boost::weak_ptr的存在就是为boost::shared_ptr解决一点点瑕疵的。这个瑕疵藏得相对比较深，一般不会遇到的，但是当我们真的遇到的时候，那可能就一个“通宵找Bug的不眠之夜”。还是用例子来说明，

struct Node
{
    shared_ptr<ListNode> _prev;
    shared_ptr<ListNode> _next;

    ListNode(int x)
        ： _prev(NULL)
        ,_next(NULL)
    {}
    ~Node()
    {
        cout << "~Node" << endl;
    }
};
int main()
{
    shared_ptr<Node> cur(new Node(1));
    shared_ptr<Node> next(new Node(2));
    cur->_next = next;
    next->_prev = cur;
    cout << "cur.count: " << cur.use_count() << endl;
    cout << "next.count: " << next.use_count() << endl;
    return 0;
}

现在我们验证shared智能指针的缺陷，我们用系统给我们写的shared_ptr指针，然后再来构造两个双向链表里面的结点，这里这个双向链表可能有一点简陋，但是我们只是需要它的prev和next指针就够了。现在我们运行代码看看会发生什么情况：

 

明显这里没有调用结点析构，是有问题的。这都源于原来cur和next指针所管理的结点现在都有两个智能指针管理，然后在这里会发生这样一件事:

 

 

 

循环引用一般都会发生在这种"你中有我，我中有你"的情况里面，这里导致的问题就是内存泄漏，这段空间一直都没有释放,现在很明显引用计数在这里就不是很合适了，但是shared_ptr除了这里不够完善，其他的地方表现都令我们比较满意，所以boost社区的大牛们在这里仅是补充了最后一个智能指针week_ptr，

 

 

weak_ptr

---

weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，它更像是shared_ptr的一个助手而不是智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况.具体一点讲就是，首先weak_ptr 是专门为shared_ptr 而准备的。它是 boost::shared_ptr 的观察者对象，作为观察者，那也就意味着weak_ptr它只对shared_ptr 进行引用却不会去改变其引用计数，当被观察的shared_ptr 失效后，相应的weak_ptr 也相应失效，然后它就什么都不管 光是个删 ， 也就是这里的cur和next在析构的时候 ，它都不用引用计数减1（因为这里引用计数一直保持是1，可以直接释放资源） ， 直接删除结点就好。这样也就间接地解决了循环引用的问题，当然week_ptr指针的功能不是只有这一个。但是现在我们只要知道它可以解决循环引用就好。

 struct Node
 {
 //  shared_ptr<Node> _prev;
 //  shared_ptr<Node> _next;
     weak_ptr<Node> _prev;
     weak_ptr<Node> _next;
    // Node()
    // :_prev(NULL)
    // ,_next(NULL)
   //  {}
     ~Node()
     {
         cout<<"~Node"<<endl;
     }
 };
 void TestCycleReference( void)
 {
     shared_ptr<Node> cur( new Node);
     shared_ptr<Node> next( new Node);
 
     cur->_next = next;
     next->_prev = cur;
 
     cout<<"cur.count:"<<cur.use_count()<<endl;
     cout<<"next.count:"<<next.use_count()<<endl;
 
 }

 

 

对上面shared_ptr优化weak_ptr

 

关于c++11库中关于weak_ptr的实现接口

1.  拷贝构造

constexpr weak_ptr() noexcept;

weak_ptr (const weak_ptr& x) noexcept;
template <class U> weak_ptr (const weak_ptr<U>& x) noexcept;

template <class U> weak_ptr (const shared_ptr<U>& x) noexcept;

如果一个参数x被传递，而x不是空的，那么弱ptr对象就变成了拥有的x组的一部分，在没有所有权本身的情况下（并且不增加它的使用数量），就可以访问该对象的资产。

如果x是空的，或者如果没有参数传递，构造的弱ptr是空的。

如果x是一个别名，弱ptr保存了所有的数据和存储的指针。

 

2.operator=重载

weak_ptr& operator= (const weak_ptr& x) noexcept;
template <class U> weak_ptr& operator= (const weak_ptr<U>& x) noexcept;

template <class U> weak_ptr& operator= (const shared_ptr<U>& x) noexcept

对象成为拥有的x组的一部分，允许对该对象的资源进行访问，直到过期，而不需要获得所有权本身（并且不增加其引用计数）。

如果x是空的，构造的弱ptr也是空的。

如果x是一个别名，弱ptr保存了所有的数据和存储的指针。

shared_ptr对象可以直接分配给弱ptr对象，但是为了将弱ptr对象分配给sharedptr，它应该使用成员锁(lock)来完成。

 

包括上面成员，它一共有这些成员

可参考cpulsplus官网：http://www.cplusplus.com/reference/memory/weak_ptr/

定置删除器

---

在前面用到了的shared_ptr的时候，如果够仔细，你可能注意C++11没有shared_array版本的智能指针，也就是说，对于new[]开出的对象数组，C++11好像没有相应的处理办法了？ 当然，这是不可能的。C++11对于此，实际上站在了一个更高的角度来处理。虽然在boost中有_array版本的智能指针管理new[]出来的对象数组，但是实际中还有malloc,fopen..等方式打开资源，单纯的用delete关闭资源显然是力不从心的。所以对此，C++11提供用一个叫删除器的东西来帮助释放资源，它由程序员自己去定置。它的实现其实就是定义一个类出来，然后在类中重载了operator() 在该函数当中进行相应释放资源操作（由于重载了operator()，该类的实例就拥有函数的使用特性和功能.所以也把这样类的一个实例叫做仿函数）。如我们shared_ptr<int> sp(new int[2]),就可以实现一个这样的类

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

 然后可以DeleteArray da定置一个删除器da了 。随后，前面定义智能指针相应改成shared_ptr<int> sp(new int[2], da)即可。

其实它原理也比较简单，为了更方便剖析，我们这里来对上面自定义SharePtr改造，让它支持定置删除功能。

 template<class T> 
 struct DelArr 
 {  
     void operator()(T* ptr) 
     {  
         cout<<"delete[ ]"<<endl; 
         delete[] ptr; 
     } 
 }; 
 template <class T, class Del= DelArr<T> >   //为模板参数添加默认值
 class SharedPtr 
 {  
     public: 
         SharedPtr( T* ptr)   
             :_ptr(ptr) 
              ,_pCount( new int(1)) 
     { } 
         T* operator->( ) 
         {  
             return _ptr; 
         } 
         T& operator*( ) 
         {  
             return *_ptr; 
         } 
         SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)  //加上const
             :_ptr(sp._ptr) 
              ,_pCount(sp._pCount) 
         {  
             ++(*_pCount);    
         } 
         SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp）
         {  
             if(this != &sp)  
             {  
                 Release( ); 
                 _ptr = sp._ptr; 
                 _pCount = sp._pCount; 
                 ++(*_pCount); 
             } 
             return *this; 
         } 
         void Release( ) 
         {  
             if(--(*_pCount) == 0) 
             {  
                 if(_ptr) 
                 { 
                     cout<<"释放空间"<<endl; 
                     //delete _ptr; 
　　　　　　　　　　　　 //_ptr = NULL;
                     //_pCount = NULL;
                     Del _del; //定义定置删除仿函数 
                     _del(_ptr);  //调用该仿函数                    
                 } 
　　　　　　　　　　delete _pCount;　
             } 
         }
         ~SharedPtr()
         { 
             cout<<"析构调用"<<endl;
             Release( );
         }
     protected:
         T* _ptr;
         int* _pCount;
 };
 
 void TestSharedPtr()
 { 
     //SharedPtr<A, DelArr<A> > sp(new A[2]);
     SharedPtr<int, DelArr<int> >sp1(new int[2]);
 
 }

 

实现其实就是在析构时创建一个Del对象，也就是我们前面定置好的删除器的对象。这里Del是Delete，那我们的_del（_ptr）的内部，就是用delete释放_ptr，所以我们就这样把模板和仿函数联系在一起。

 

而对于malloc、fopen方式打开的资源，就可以这样

 class Free
 {
 public:
     void operator()(void* ptr)
     {   
         free(ptr);
     }
 };
 struct FClose
 {
     void operator()(void* fp)
     {
         fclose((FILE*)fp);
     }
 };
vod Test()
 {
     shared_ptr<void> sp1(malloc(sizeof(int)*3), Free());
     shared_ptr<FILE> sp2(fopen("test.txt", "r"), FClose());
}

最后，智能指针大致原理就是这样，当然这只是本人很粗浅的一点总结，对智能指针使用还有很多东西需要探索。

不过为了平常使用智能指针能更高效的使用，最后小结一下

·在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想。

·在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr。

·在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr。

·在需要访问 boost::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下(循环引用)使用boost::weak_ptr。

 

 

附：