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背景
裸指针
智能指针
原理
智能指针
auto_ptr
unique_ptr
1. unique_ptr禁止拷贝构造(copy constructor)和赋值运算(=)
1.1 C++提供了标准库函数move()
1.2.如果unique_ptr是一个临时右值
2. unique_ptr可用于数组
shared_ptr
环状引用问题
weak_ptr
注意：
总结
背景
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裸指针
如果编程中直接使用裸指针，就需要程序员手动的去allocate和release资源了。假设有这样一段代码：
void f(){
int* a = new int(100); //申请资源
....
delete a; //release a所指向的对象
}这段程序乍看起来没有什么问题，new和delete有成对地出现，应该不会发生内存泄漏的情况吧。那如果程序员忘记写delete了；或者是像上面一样有加delete，但这new和delete中间的"...."区域内是否有可能出现过早的return语句呢，亦或是这块"...."区域的语句抛出了异常，无论是哪一种原因，最后其实都没有做delete，那这种情况下内存泄露就发生了。
那怎么避免这种问题呢？最直接的想法可能就是“既然前面说的问题是因为程序可能会提前退出导致的，那就在程序每一个可能会退出的地方，都加上一个delete，以进行全面的防守”。这样子做当然没有问题，但是越到后面，可能就越难维护了，假设后面的人，在这段程序里又加了一些内容，使得程序可能又新增了一个会提前退出的地方，但是后面的人不知道这个函数里还有着对资源管理的事情要做，而忘记了加delete，还是会引入问题。所以单纯地依赖在f()里总是会手动地执行其delete语句不是一个很好的做法。
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智能指针
那前面说的问题还有其他更好的解决办法吗？答案是：有。这个方法就是采用智能指针(smart pointer).
智能指针能够解决前面说的“因为忘记delete或者是提前退出导致的内存泄漏问题”，在介绍智能指针是如何使用之前，还是需要了解一下智能指针是怎么解决掉前面说的那些问题的，它能解决这个问题的原理是什么。
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原理
智能指针是基于这样一个思想：以对象来管理资源。简单来说就是，把资源放进一个对象里面，将资源释放的动作放在析构函数里，我们便可以依赖C++的析构函数自动调用机制确保资源被释放。
“以对象来管理资源”的观念常被称为“资源取得时机便是初始化时机”(Resource Acquisition Is Initialization; RAII)”，这里面有两个关键的想法：
- 获得资源后立刻放进管理对象内：每一笔资源在获得的同时立刻被放进管理对象当中
- 管理对象运用析构函数确保资源被释放：不论流程上如何控制，一旦管理对象被销毁，其析构函数自然会被调用，其所管理的资源也就会被释放掉
没错，智能指针正是一个类(模板类，因为指针类型很多)，它所管理的资源就是指针，可以简单地理解为就是在这个类的析构函数里有做一个delete的动作。智能指针这个模板类重载了一些指针相关的运算操作符(比如“*”，“->”)，让程序员在操作这个对象时就像是操作普通指针一样。所以智能指针不仅使得人们可以像使用普通指针那样去使用它，还可以防止对内存的不当使用。
这里再多说几句：以对象来管理资源，其实不仅仅是内存是资源，其他的比如：互斥锁(Mutex)、文件描述器(File descriptor) 等其实也是资源，一旦你用了它，将来就必须要还给系统，如果不这样，就会发生各种事故。资源交给对象来管理，只是不同的资源所对应的管理对象不一样，比如互斥锁的管理对象一般使用的是lock_guard、unique_lock这些类的对象(C++ 多线程 (mutex & conition_variable篇))，但是基本原理是一样的，就是利用了C++对象的构造函数和析构函数的自动调用机制，防止资源泄漏发生。
智能指针
前面介绍了智能指针的大概原理，接下来看看C++里提供的智能指针有哪些，以及用法。
C++提供的智能指针有如下几种：auto_ptr(C++11中已经摒弃)、shared_ptr、weak_ptr和unique_ptr，就像前面说的，它们都是模板类。关于这些智能指针：
- 要创建智能指针对象，必须包含头文件<memory>;
- 所有的指针类都有一个explicit构造函数，该函数将指针作为参数
- 可以通过智能指针类提供的get()方法获取智能指针所指向的原始资源
- 使用通常的模板语法来实例化所需类型的指针(weak_ptr的构造方法稍微特殊点，后面会介绍)，比如：
auto_ptr<int> a(new int(100));
unique_ptr<int> a(new int(100));
shared_ptr<int> a(new int(100));
weak_ptr<int> b = a; 为什么会有多种不同类型的智能指针呢？接下来介绍一下这些不同类型的智能指针的差异
auto_ptr
auto_ptr是C++ 98提出来的，C++11中已经摒弃了。它的用法如下：
void f(){
auto_ptr<int> a(new int(100));
....
//后面就不用再手动去加delete了
}当通过copy构造函数或者时赋值运算符复制它们，它们会变成NULL，而复制所得的指针将取得资源的唯一拥有权
void f(){
auto_ptr<int> a(new int(100)); //a指向new int返回的地址
auto_ptr<int> b(a); //现在b指向对象，a被置为NULL
a = b; //现在a指向对象，b置为NULL
}这意味着受auto_ptr管理的资源没有一个以上的auto_ptr可以同时指向它。但是在auto_ptr放弃了对象的所有权后，这样就留下了一个悬挂指针，使用者后面还有可能使用它来访问该对象(比如上面的例子中，最后再做一个“*b”的操作)，但显然这会导致问题.
unique_ptr
独占式指针，即同一时刻只能有一个指针指向同一个对象。如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可使用unique_ptr。
这一点看起来和auto_ptr是一样的，都是对于一个资源来说，只有一个指针指向它。但是它们之间有如下差别：
1. unique_ptr禁止拷贝构造(copy constructor)和赋值运算(=)
对于unique_ptr来说，编译器会认为下面#3这一步是非法操作，直接编译阶段就会报错，这样就避免了a不再指向有效数据的问题，所以从这一点来讲，unique_ptr比auto_ptr更安全。
void f_unique() {
unique_ptr<int> a(new int(100)); //#1
unique_ptr<int> b; //#2
b = a; //#3 not allowed
}但如果真的想把unique_ptr赋给另一个的话，其实也不是不行，如下两种情况可以做到将一个unique_ptr赋给另一个：
1.1 C++提供了标准库函数move()
比如想将上面的a赋给b，则可以使用move()
void f_unique() {
unique_ptr<int> a(new int(100));
cout << "Address: " << a.get() << "; *a = " << *a << endl;
unique_ptr<int> b;
b = move(a); //not allowed
cout << "Address: " << b.get() << "; *b = " << *b << endl;
cout << "Address: " << a.get() << endl;
} 
1.2.如果unique_ptr是一个临时右值
如果unique_ptr是一个临时右值，编译器允许这样做；如果unique_ptr将存在一段时间，编译器将禁止这样做。
如下面这段示例，demo返回的是一个临时的unique_ptr，然后a接管了原本返回的unique_ptr所拥有的对象，而返回的unique_ptr被销毁。这样的话，没有机会使用返回的临时unique_ptr对象来访问无效的数据，这样的赋值行为想象上也应该要是合理的
unique_ptr<int> demo(int a) {
unique_ptr<int> res(new int(a));
return res;
}
void testDemo() {
unique_ptr<int> a;
a = demo(10);
cout << "Address: " << a.get() << "; *a = " << *a << endl;
}2. unique_ptr可用于数组
unique_ptr<int []> a(new int(100));但是auto_ptr不可以，因为auto_ptr里使用的是delete而没有使用delete []，所以只能与new一起使用，无法与delete []一起使用，所以无法用于数组。而unique_ptr里有使用new []和delete []的版本。
shared_ptr
shared_ptr是计数型智能指针，同一时刻可以有多个指针指向同一个对象，并在无人指向它时自动删除该资源。它的大概原理是：shared_ptr内部有一个计数器，每当新增一个指向同一个对象的指针时，那么这个计数器会加1；反之，每有一个指针被释放，计数器减1，如果计数器为0时，shared_ptr就会释放指向的对象。
所以可见shared_ptr和前面所说的auto_ptr、unique_ptr最明显的不同就是：shared_ptr允许多个指针同时指向一个对象，而auto_ptr、unique_ptr都只允许同一时刻只能有一个指针指向同一个对象。
如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，则应该选择shared_ptr。如下这段程序所示, a,b,c这三个shared_ptr都同时指向了同一块内存
void f() {
shared_ptr<int> a(new int(100));
cout << "Adress: " <<a.get() << "; *a = " << *a << endl;
shared_ptr<int> b(a);
cout << "Adress: " << b.get() << "; *b = " << *b << endl;
shared_ptr<int> c = a;
cout << "Adress: " << c.get() << "; *c = " << *c << endl;
return;
}
环状引用问题
环状引用是指两个或多个对象之间相互引用，形成一个闭环的情况。在面对环状引用时，shared_ptr无法打破这种情况，会引起内存泄漏。
假设有这样一段代码：
class A;
class B;
class A {
public:
shared_ptr<B> b_ptr;
};
class B {
public:
shared_ptr<A> a_ptr;
};
void testCycles() {
shared_ptr<A> a = make_shared<A>(); //#1
shared_ptr<B> b = make_shared<B>(); //#2
a->b_ptr = b; //#3
b->a_ptr = a; //#4
return;
}1.经过上面的#1和#2后，指向a和b的shared_ptr引用计数各自为1，即当前各有一个shared_ptr有分别指向a和b
2. 经过#3和#4后，a->b_ptr指向了b, b->a_ptr指向a, 因为a和b有互指，则各自的引用计数变为2，如下图所示：
3. 当a和b都脱离作用域，各自调用自己的析构函数后，a和b各自的引用计数减为1，但是a和b的资源还没有release，a还有指向b，b也还有指向a.
4. a释放，就需要b的a_ptr释放，b释放，就需要a的b_ptr释放。因此a和b互相约束着对方的析构，最后都没法析构，导致内存泄漏。
这有点儿“死锁”的味道了。所以环状引用会导致对象的引用计数无法减为0，从而导致内存泄漏。为了解决环状引用的问题，可以使用weak_ptr来打破环状引用。weak_ptr是一种弱引用，它不会增加对象的引用计数，也不会阻止对象的销毁。下面介绍一下weak_ptr。
weak_ptr
weak_ptr是用来解决shared_ptr相互引用导致的内存泄漏问题，是shared_ptr的辅助类。具体来说，就是在环状引用中，将其中一个对象的指针使用weak_ptr来引用另一个对象，而不是使用shared_ptr。这样，在两个对象相互引用时，当所有的shared_ptr都释放了所指向的对象，即使还有weak_ptr指向该对象，对象也会被销毁，不会导致引用计数无法降为0，从而避免了内存泄漏的问题
因此，上面那段示例代码可以将A or B里的某一方改为weak_ptr：
class A;
class B;
class A {
public:
shared_ptr<B> b_ptr;
};
class B {
public:
weak_ptr<A> a_ptr;
};
void testCycles() {
shared_ptr<A> a = make_shared<A>();
shared_ptr<B> b = make_shared<B>();
a->b_ptr = b;
b->a_ptr = a;
return;
}注意：
1. weak_ptr不参与资源的管理和释放，可以使用shared_ptr对象来构造weak_ptr对象，但是不能直接使用指针来构造weak_ptr对象，如下的语法是非法的
weak_ptr<int> a(new int(100));2. weak_ptr没有operator*函数和operator->成员函数，不具有一般指针的行为。
总结
在实际中，应尽量避免直接使用裸指针，而应优先选择智能指针，它们利用对象的生命周期来管理资源，避免了资源泄漏这些问题。并且针对不同的需求选用合适类型的智能指针。
