c++动态内存与智能指针

前言

静态内存：用于保存局部静态变量、类内的静态数据成员以及全局变量
栈：用于保存函数内部的非static变量
堆：存储动态分配的对象（程序运行时分配的对象）

静态内存和栈内存的对象由编译器自动创建和销毁

而堆区的动态内存，其生命周期由程序控制

虽然动态内存是必要的，但是管理动态内存是非常棘手的一件事。

在c++中，动态内存的管理由new/delete这对运算符完成，其中：

new负责为对象分配一块内存空间，并返回指向该空间的指针
delete负责销毁由new指向的内存空间

虽然c++提供了动态内存的管理机制，但是程序员在使用时很容易忘记释放内存，这样就很容易造成内存泄漏的问题，并且在合适的时间释放内存也是及其困难的问题。

因此，为了更加容易和安全的使用动态内存，c++提供了两种智能指针类管理动态内存对象——shared_ptr与unique_ptr，而weak_ptr是shared_ptr的一种伴随类。

shared_ptr

简介

shared_ptr即共享指针，顾名思义，其允许多个指针指向同一个对象。每当有一个指针指向该共享对象时，该共享对象的引用计数就加1，只有当最后一个指向该对象的 shared_ptr 被销毁时，对象的内存才会被释放。

其实现机制可以简单理解为：普通指针+引用计数，如下图所示，有两个shared_ptr类型的智能指针q和p指向了同一个共享内存对象，则此时p.use_count()与q.use_count()都为2（use_count()方法用于获取该智能指针对所引用对象的引用计数）

初始化

shared_ptr的使用与普通指针的使用基本相同，可以使用*对指针进行解引用

make_shared函数

功能：标准的分配和初始化动态内存

头文件：memory

原型和使用方法：

make_shared<T>(args)

T：动态对象的类
args：动态对象的初始化值
	shared_ptr<string> q = make_shared<string>(10, '.');
	auto p = make_shared<int>(42);
	cout << *q << endl;
	cout << *p << endl;

常用操作

获取shared_ptr中的指针

get()函数

功能：获取shared_ptr的指针

shared_ptr<int> p = make_shared<int>(42);
int *pp = p.get();

注意，永远不要用 get 初始化另一个智能指针或者为另一个智能指针赋值。

shared_ptr<int> p(new int(42)); // 引用计数为1
// 新程序块
{
    // 两个独立的shared_ptr指向相同的内存    
    shared_ptr<int> q(p.get());   // 错误：将get用来初始化指针指针
}   // 程序块结束，q被销毁，它指向的内存被释放

int foo = *p;   // 未定义：p指向的内存已经被释放了

另外，也不要delete get()返回的指针，这可能会导致以下问题：

多个智能指针共享同一块内存时，如果其中一个智能指针调用了 delete 操作符，会导致其他智能指针持有的原始指针成为悬挂指针，从而引发未定义行为或内存访问错误。

如果智能指针已经释放了其管理的资源，而你仍然尝试通过 get 返回的指针进行 delete 操作，这将导致二次释放内存，同样会引发未定义行为。

获取shared_ptr所指对象的引用计数

use_count()

功能：获取共享对象的引用计数

	//创建一个动态对象，其值被初始化为42，并使用shared_ptr类型的共享指针p指向该动态内存
	shared_ptr<int> p = make_shared<int>(42);
	//由于此时只有一个shared_ptr类型的指针p指向值为42的动态内存，故该动态对象的引用计数为1
	cout << "指针p所指向动态对象的引用计数:" << p.use_count() << endl;
	auto q(p);//拷贝动态指针，使得shared_ptr指针q也指向与p所指向的动态内存
	cout<<"指针q所指向动态对象的引用计数:" << q.use_count() << endl;
	cout << "指针p所指向动态对象的引用计数:" << p.use_count() << endl;

reset()函数

功能：修改shared_ptr所管理的资源，或将shared_ptr置空


	shared_ptr<int> p = make_shared<int>(42);
	cout << "p1:" << *p << endl;
//修改共享指针p的指向为值为24的动态内存，原来的p指向的值为42的动态内存被释放
	p.reset(new int(24));
	cout << "p2:" << *p << endl;
	p.reset();//若参数为空，则表示将共享指针置空

一般情况下，一个用来初始化智能指针的普通指针必须指向动态内存，因此智能指针默认使用 delete 释放它所关联的对象。但是也可以将智能指针绑定到一个指向其他类型的资源的指针上，只是此时需要提供自己的释放操作来替代 delete。

// 如果p是唯一指向其对象的shared_ptr，reset会释放此对象。
p.reset();

// 若传递了可选的参数内置指针q，会令p指向q，否则会将p置为空。
p.reset(q);

//若还传递了参数d，将会调用d而不是delete来释放q
p.reset(q, d);

拷贝与赋值

	shared_ptr<int> p = make_shared<int>(42);
	auto q(p);//拷贝指针p，让指针p与指针q指向同一块内存

int* p(new int(1024));  // p指向动态内存
auto q = p;             // p和q指向同一块内存
delete p;               // p和q均变为无效
p = nullptr;            // 此时p不再绑定到任何对象
// 此时重置p对q没有任何作用，q仍然指向原来那块（已经被释放的）内存地址
// 在实际系统中，查找指向相同内存的所有指针是异常困难的！

shared_ptr与new的结合使用

接受指针参数的智能指针的初始化函数是explicit的，故而不能将一个普通指针隐式转换为智能指针，必须使用直接初始化方式来初始化一个智能指针，如下：

shared_ptr<int> p1 = new int(1024); // 错误：必须使用直接初始化形式
shared_ptr<int> p2(new int(1024));  // 正确：使用了直接初始化形式

至此，我们已经知道了两种初始化shared_ptr类型指针的方式，分别是使用make_shared函数和使用关键字new进行直接初始化

同理，一个返回 shared_ptr 的函数也不能在其返回语句中隐式转换一个普通指针：

shared_ptr<int> clone(int p){
    return new int(p);                  // 错误
    return shared_ptr<int>(new int(p)); // 正确
}

注意：不要混合使用普通指针和智能指针，使用一个内置指针来访问一个智能指针所负责的对象是很危险的，因为我们无法知道对象何时会被销毁

// ptr是传值方式传递，因此拷贝时会递增其引用次数。
void process(shared_ptr<int> ptr){
    // 使用ptr
}   // ptr离开作用域，ptr会被销毁。由于ptr销毁了，引用次数会递减

// process正确的使用方法：
shared_ptr<int> p(new int(42)); // 此时引用计数为1
process(p);     // 拷贝p会递增其引用次数，此时在process中引用计数值为2
int i = *p;     // 离开了process作用域，引用计数值为1 

// process错误的使用方法：
int *x(new int(1024));  // 危险：x是普通指针，不是智能指针
process(x);             // 错误：不能将int* 转换为shared_ptr<int>
process(shared_ptr<int>(x)); // 合法，但是由于传参时使用的是一个临时变量，
                             // 临时变量在传递完之后会被销毁，所以传完参
                             // 之后的process里的ptr引用计数为1
int j = *x; // 未定义：离开了process作用域，引用计数值为0，此时x为一个悬空指针

shared_ptr使用案例

#include<iostream>
#include<vector>
#include<string>
#include<memory>
#include<exception>
#include<initializer_list>
using namespace std;

typedef vector<string>::size_type size_type;
class StrBlob {
private:
	shared_ptr<vector<string>> data;
	void check(const size_type& i, const string& msg);

public:
	//构造函数
	StrBlob();
	StrBlob(initializer_list<string> li);//使用初始化列表构造函数

	size_type size();
	bool empty();

	void push_back(const string& str);
	void pop_back();

	string front();
	string back();

	friend ostream& operator<<(ostream& os, const StrBlob& data);
};


StrBlob::StrBlob():data(make_shared<vector<string>>()){}
StrBlob::StrBlob(initializer_list<string> li) :data(make_shared<vector<string>>(li)){}

void StrBlob::check(const size_type& i,const string& msg)
{
	if (i >= data->size())
		throw out_of_range(msg);
}

size_type StrBlob::size()
{
	return data->size();
}

bool StrBlob::empty()
{
	return data->empty();
}

void StrBlob::push_back(const string& str)
{
	data->push_back(str);
}

void StrBlob::pop_back()
{
	check(0, "pop_back on empty StrBlob");
	data->pop_back();
}

string StrBlob::front()
{
	check(0, "front on empty StrBlob");
	return data->front();
}
string StrBlob::back()
{
	check(0, "back on empty StrBlob");
	return data->back();


}

ostream& operator<<(ostream& os, const StrBlob& str)
{
	for (auto p = str.data->cbegin(); p != str.data->cend(); ++p)
	{
		os << *p << " ";
	}
	return os;
}

unique_ptr

与shared_ptr相反，unique_ptr智能指针独占其所指向动态对象的所有权
故unique_ptr不支持拷贝与赋值操作
但是我们可以拷贝一个右值类型unique_ptr，也就是一个即将被销毁的unique_ptr
定义一个 unique_ptr 时，需要将其绑定到一个 new 返回的指针上。初始化 unique_ptr 必须采用直接初始化形式。

	unique_ptr<int> up(new int(42));
	cout << *up << endl;
	
	unique_ptr<int> uq(up);//错误，unique_ptr不支持拷贝操作
	unique_ptr<int> uq=up;//错误，unique_ptr不支持赋值操作

	//unique_ptr支持移动操作，也就是将一个即将销毁的对象赋给一个unique_ptr
	unique_ptr<int> upp = std::move(up);

unique_ptr<int> clone(int s)
{
	return unique_ptr<int>(new int(s));//return返回的值是一个右值，支持拷贝（移动）
}

weak_ptr

weak_ptr是一种不控制所指向对象生存期的智能指针，它指向由一个 shared_ptr 管理的对象。
将一个 weak_ptr 绑定到一个 shared_ptr 不会改变 shared_ptr 的引用计数。一旦最后一个指向对象的 shared_ptr 被销毁，对象就会被释放。即使有 weak_ptr 指向对象，对象也还是会被释放。因此，weak_ptr 的名字抓住了这种智能指针 “弱” 共享对象的特点。
由于对象可能不存在，我们不能使用 weak_ptr 直接访问对象，而必须调用 lock，检查对象是否存在。如果存在，lock 返回一个指向共享对象的 shared_ptr，否则返回一个空 shared_ptr。这使得 weak_ptr 可以用于检测所关联的 shared_ptr 是否已被销毁，从而避免了循环引用问题。

    shared_ptr<int> ptr1 = std::make_shared<int>(5);
    weak_ptr<int> ptr2 = ptr1;//定义一个weak_ptr，使其指向shared_ptr类型的ptr1所指向的内存对象

    cout << ptr1.use_count() << endl;//输出1，weak_ptr不占用shared_ptr的引用计数
    cout << *ptr2.lock() << std::endl;  // 输出5

    ptr1.reset();//释放ptr1的内存对象
    if (!ptr2.lock()) {
        std::cout << "ptr1 has been destroyed." << std::endl;  // 输出ptr1 has been destroyed.
    }

weak_ptr的性质可以用来解决shared_ptr的循环引用问题，如下：

#include <iostream>
#include <memory>

class B;  // 前置声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> bPtr;

    ~A() {
        std::cout << "A destructor called." << std::endl;
    }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> aWeakPtr;

    ~B() {
        std::cout << "B destructor called." << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<A> aPtr = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> bPtr = std::make_shared<B>();

    aPtr->bPtr = bPtr;
    bPtr->aWeakPtr = aPtr;

    return 0;
}

在这个示例中，我们定义了两个类 A 和 B，它们之间存在循环引用关系。A 类包含一个 shared_ptr<B> 成员变量，而 B 类包含一个 weak_ptr<A> 成员变量。

在 main() 函数中，我们创建了 A 类和 B 类的实例，并将它们互相引用。这样就形成了一个循环引用结构，如果不采取措施，这些对象将永远无法被销毁，导致内存泄漏。

但是，由于 B 类使用了 weak_ptr 来引用 A 类的对象，weak_ptr 不会增加引用计数。当 shared_ptr 指向 A 类的对象被销毁时，A 类的析构函数会被调用，并且与之关联的 B 类对象的 weak_ptr 将自动失效。

因此，在这个示例中，循环引用问题得到了解决，A 和 B 对象都能够正常销毁，并在其析构函数中输出相应的消息。

总之，通过使用 weak_ptr，我们可以打破 shared_ptr 的循环引用，避免内存泄漏问题。weak_ptr 允许我们检测所关联的 shared_ptr 是否已经被销毁，从而解决了循环引用带来的资源管理问题。