C++智能指针（二十）

一.RAII（Resource Acquisition Is Initialization）

RAII资源获取即初始化，RAII的思想就是在构造时初始化资源，或者托管已经构造的资源。在析构的时候释放资源。一般不允许复制或赋值，并且提供若干的资源访问的方法。比如：我们创建一个文件读写的类，当我们通过类创建一个栈对象时，并初始化传入要打开文件的指针，当我栈对象的生命周期结束会自动调用析构函数将文件关闭，这就为我们解决一些文件未close的安全问题。

#include <iostream>
#include <string>
#include <string.h>
using std::endl;
using std::cout;
using std::string;

class safeFile
{
private:
    FILE* _fp;
public:
    safeFile(FILE* fp)
    :_fp(fp)
    {
        cout<<"safeFile(FILE* fp)"<<endl;
    }

 //一般不允许赋值和复制     删除或者设置成私有的
    safeFile(const safeFile& rhs)=delete;

    safeFile& operator=(const safeFile& rhs)=delete;

    void write(const string& msg)
    {
        fwrite(msg.c_str(),1,strlen(msg.c_str()),_fp);
        cout<<"void write(const string& msg)"<<endl;
    }
    
    ~safeFile()
    {
        if(_fp)
        {
            fclose(_fp);
            cout<<"~safeFile()"<<endl;
        }
    }
};


int main()
{
    safeFile sf(fopen("test.txt","a+"));//sf 是栈对象销毁时自动执行关文件的操作
    sf.write(string("hello,world"));


}

我们在简单的实现一下RAII

#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;


template<typename T>
class RAII
{
private:
T* _data;

public:
    RAII(T* data)
    :_data(data)
    {
        cout<<"RAII(T* data)"<<endl;
    }

    ~RAII()
    {
        cout<<"~RAII()"<<endl;
        if(_data)
        {
            delete _data;
            _data=nullptr;
        }
    }

    T* operator->()
    {
        return _data; 
    }

    T& operator*()
    {
        return *_data;
    }

    T* get()
    {
        return _data;
    }
private:
    RAII(const RAII& rhs);
    RAII& operator=(const RAII& rhs);
};

class Point
{
private:
    int _a;
    int _b;
public:
    Point(int a=0,int b=0)
    :_a(a)
    ,_b(b)
    {
        cout<<"Point(int a=0,int b=0)"<<endl;
    }

    ~Point()
    {
        cout<<"~Point()"<<endl;
    }

    void print()
    {
        cout<<"( "<<_a<<" , "<<_b<<" )"<<endl;
    }
};

int main()
{
    //pt本身不是指针，但是具备指针的功能
    RAII<Point> pt(new Point(1,2));
    pt.operator->()->print();
    pt->print();
}

总结：这里pt本身不是指针，但他具备指针的功能，我们是用pt对象来托管new Point(1,2)这块堆空间，当pt对象的生命周期结束，自动调用析构函数，我们在将这块托管的堆空间释放。并且我们在RAII内设置一些方法可以访问这块托管的堆空间资源，这样我们就不用担心内存泄漏的问题，防止堆空间资源用完没有进行回收。

二.智能指针

在C++动态内存管理中，我们通过new在动态内存中为对象分配空间并返回一个指向该对象的指针，我们可以选择对对象进行初始化，通过delete接受一个动态对象的指针将该对象销毁。动态内存的使用很容易出问题，因为要确保在合适的时间释放内存是非常困难的。有时候我们会忘记释放内存，这时就会产生内存泄漏；有时在还有指针指向内存时我们就将内存释放了，这种情况会导致引用非法指针。因此为了更加容易和安全使用动态内存，标准库提供了智能指针类型来管理动态对象。

头文件<memory>

1.shared_ptr

shared_ptr既可以传左值也可以传右值，其中我们可以认为每个shared_ptr都有一个引用计数。无论何时我们拷贝一个shared_ptr引用计数都会递增。例如，当用一个shared_ptr去初始化另一个shared_ptr，或者将他作为参数传递给一个函数以及作为参数的返回值时，她所关联的计数器就会递增。当我们给shared_ptr赋予一个新值或是shared_ptr被销毁（例如一个局部的shared_ptr离开其作用域）时计数器就会递减，如果引用计数减少为0时，他就会自动释放自己所管理的类。

#include <iostream>
#include <memory>

using std::cout;
using std::endl;
using std::shared_ptr;
using std::string;
using std::make_shared;
using std::weak_ptr;

//与unique_ptr相反的是shared_ptr既可以传左值也可以传右值
void test()
{
    string str("helloworld");
    // shared_ptr<string> sp=std::make_shared<string>(new char[str.size()]());
    // *sp=str;

    //通过make_shared返回shared_ptr类型的指针，来对sp进行初始化
    shared_ptr<string> sp=std::make_shared<string>(str);

    cout<<"*sp = "<<*sp<<endl;
    cout<<"-------------------------------------"<<endl;

    shared_ptr<int> sp1(new int(10));
    cout<<"&*sp1 = "<<&*sp1<<endl;
    cout<<"*sp1 = "<<*sp1<<endl;
    cout<<"sp1.get() = "<<sp1.get()<<endl;
    cout<<"sp1.use_count() = "<<sp1.use_count()<<endl;
    cout<<"sp1.unique() = "<<sp1.unique()<<endl;

    
    cout<<endl;
    cout<<"赋值运算符函数"<<endl;
    shared_ptr<int> sp2(new int(20));
    cout<<"*sp2 = "<<*sp2<<endl;
    cout<<"sp2.get() = "<<sp2.get()<<endl;
    sp2=sp1;
     cout<<"&*sp2 = "<<&*sp2<<endl;
    cout<<"*sp2 = "<<*sp2<<endl;
    cout<<"sp2.get() = "<<sp2.get()<<endl;
    cout<<"sp2.use_count() = "<<sp2.use_count()<<endl;
    cout<<"sp2.unique() = "<<sp2.unique()<<endl;


    cout<<endl;
    shared_ptr<int> sp3=sp2;
    cout<<"&*sp3 = "<<&*sp3<<endl;
    cout<<"*sp3 = "<<*sp3<<endl;
    cout<<"sp3.get() = "<<sp3.get()<<endl;
    cout<<"sp3.use_count() = "<<sp3.use_count()<<endl;
    cout<<"sp3.unique() = "<<sp3.unique()<<endl;


}

int main()
{
    test();
    return 0;
}

2.unique_ptr

与shared_ptr不同的是，某个时刻只能有一个unique_ptr指向一个给定的对象。当unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也被销毁。并且unique_ptr也没有类似make_shared的标准库函数返回一个unique_ptr。当我们定一个unique_ptr时，需要将其绑定到一个new返回的指针上。类似shared_ptr，初始化unique_ptr必须采用直接初始化方式。因为unique_ptr没有拷贝构造函数和赋值运算符函数，但是具有移动语义（有移动构造函数和移动赋值函数）并且可以作为容器元素，但是只能传递右值。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

using std::vector;
using std::unique_ptr;
using std::cout;
using std::endl;

void test()
{
 unique_ptr<int> up(new int(2));


// unique_ptr<int> up1=up;//error 没有拷贝构造函数
// unique_ptr<int> up2;
// up2=up; //error没有赋值运算符

vector<unique_ptr<int>> vec_up;
//vec_up.push_back(up);   //error 还是会调用拷贝构造函数  unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;

vec_up.push_back(std::move(up));
vec_up.push_back(unique_ptr<int>(new int(29)));

cout<<"vec_up[0] = "<<*vec_up[0]<<endl<<"vec_up[1] = "<<*vec_up[1]<<endl;
}


int main()
{
    test();
}

左右值相互转换的方法：

 需要右值的时候
 将左值转换为右值std::move()或构建临时对象Point（1,2）
 需要左值的时候
 可以使用构造函数创建对象，创建有名对象。Point pt(1,2)
 Point&& rhf=Point(1,2)   利用右值引用是左值的特性

3.weak_ptr

shared_ptr有一个缺陷就是循环引用的情况例如：

#include <iostream>
#include <memory>

using std::cout;
using std::endl;
using std::shared_ptr;
using std::string;
using std::make_shared;
using std::weak_ptr;

class Child;

class Parent
{
public:
    Parent()
    {
        cout<<"Parent()"<<endl;
    }
    ~Parent()
    {
        cout<<"~Parent()"<<endl;
    }
    shared_ptr<Child> pchild;
};

class Child
{
public:
    Child()
    {
        cout<<"Child()"<<endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout<<"~Child()"<<endl;
    }

    shared_ptr<Parent> pparent;
};
//shared_ptr的问题循环引用的问题
void circle_test()
{
    shared_ptr<Parent> spParent(new Parent());
    shared_ptr<Child> spChild(new Child());

    cout<<"spParent.use_count() = "<<spParent.use_count()<<endl;
    cout<<"spChild.use_count() = "<<spChild.use_count()<<endl;

    //循环引用会导致内存泄露。解决方法weak_ptr和shared_ptr配合使用；其中weak_ptr不会使引用计数++
    spParent->pchild=spChild;   //sp=sp
    spChild->pparent=spParent;     
    cout<<"spParent.use_count() = "<<spParent.use_count()<<endl;
    cout<<"spChild.use_count() = "<<spChild.use_count()<<endl;
}
int main()
{
    circle_test();
}

可以看出来此时只有构造函数没有析构函数这就会造成内存泄漏。

创建完对象时指针引用如下图所示：

当进行析构时

就会造成引用计数不为零，并且指针相互只向。

class Child;

class Parent
{
public:
    Parent()
    {
        cout<<"Parent()"<<endl;
    }
    ~Parent()
    {
        cout<<"~Parent()"<<endl;
    }
    weak_ptr<Child> pchild;
};

class Child
{
public:
    Child()
    {
        cout<<"Child()"<<endl;
    }
    ~Child()
    {
        cout<<"~Child()"<<endl;
    }

    weak_ptr<Parent> pparent;
};

当将类的数据成员变成weak_ptr时

因为weak_ptr不会使引用计数递增

此时释放时引用计数都为零可以将堆空间进行释放。

weak_ptr的一些注意事项：

  1. weak_ptr没有成员访问运算符->和解引用运算符*。因此不能用weak_ptr指针去访问托管的数据。
  2. weak_ptr的初始化
    1. weak_ptr<Point> wp创建空对象
    2. weak_ptr<Point> wp(sp)用shared_ptr的指针类型对weak_ptr进行初始化
    3. weak_ptr<Point> wp=sp1
  3. 将weak_ptr提升一个shared_ptr,因为weak_ptr不能查看管理资源内容，转化为shared_ptr shared_ptr<Point> sp4=wp.lock();
  4. bool flag=wp.expired();如果use_count为0则flag为true，否则use_count不为0则flag为false 

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