C++智能指针读书笔记

最近在补看《C++ Primer Plus》第六版，这的确是本好书，其中关于智能指针的章节解析的非常清晰，一解我以前的多处困惑。C++面试过程中，很多面试官都喜欢问智能指针相关的问题，比如你知道哪些智能指针？shared_ptr的设计原理是什么？如果让你自己设计一个智能指针，你如何完成？等等……。而且在看开源的C++项目时，也能随处看到智能指针的影子。这说明智能指针不仅是面试官爱问的题材，更是非常有实用价值。

C++通过一对运算符 new 和 delete 进行动态内存管理，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，delete接受一个动态对象的指针，销毁对象并释放与之相关的内存。然而这样的动态内存的使用很危险，因为无法确保始终能在合适的时间释放内存对象。如果忘记释放内存，可能造成内存泄露；如果在尚有指针引用内存的情况下释放内存，会产生非法访问内存的指针。

C++11中，新的标准库提供了两种智能指针（smart pointer）类型来更安全地管理对象。智能指针的使用和常规指针类似，只是它们多了自动释放所指向的对象的功能。两种指针的区别在于管理底层指针的方式：shared_ptr允许多个指针指向同一个对象，unique_ptr不支持。标准库还提供了weak_ptr这一弱指针，指向shared_ptr所管理的对象。三种类型都定义在头文件memory中。

shared_ptr的使用和vector很相似，在尖括号内说明所指向对象的类型：

代码如下:

shared_ptr<string> p1              // p1是shared_ptr，指向string类型
shared_ptr<list<int>> p2     // p2是shared_ptr，指向list的int

解引用一个智能指针就能获得它所指向的对象，在if语句中使用智能指针可以判断它指向的对象是否为空：

代码如下:

// 如果p1非空，检查p1是否指向一个空的string对象
if (p1 && p1->empty())
    *p1 = "creat";        // 如果p1非空且指向一个空的string对象，解引用p1，为其赋新值creat

最安全的分配和使用shared_ptr的方法是调用名为make_shared这一标准库函数。此函数在动态内存中分配并初始化它，返回指向此对象的shared_ptr。该函数定义在memory中。

make_shared的定义和shared_ptr相似，必须制定要创建对象的类型，如：

// 指向一个值为1的int的shared_ptr
shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>)(1);
// 指向一个值为“www”的string的shared_ptr
shared_ptr<string> p4 = make_shared<string>(3, "w");
// 指向一个初始化的int，值为0
shared_ptr<int> p5 = make_shared<int>)();

也可以使用auto定义对象保存make_shared，可以省去书写shared_ptr的麻烦。

　　shared——ptr中有一个关联的指示器，称为引用计数。可以看做一个计数器，每当shared_ptr对象进行拷贝操作，如用一个shared_ptr对象初始化另一个shared_ptr对象、作为函数的实参、作为函数返回值时，引用计数都会递增（视为数值+1）。当赋予shared_ptr新值或者shared_ptr被销毁时，引用计数递减。当引用计数减为0，通过析构函数，shared_ptr自动销毁所管理的对象，释放内存。

　　需要注意的是，如果多个对象共享底层数据，当某一对象被销毁，不能单方面销毁底层数据，例如：

Blob<string> b1;
{ // 新作用域
  Blob<string> b2 = { "x", "b", "b" };
  b1 = b2;
}  // 当离开局部作用域，b2被销毁，然而b2中的元素xbb并不会被销毁
   // b1指向最初由b2创建的元素，即“x”, "b", "b"，b1依旧可以它们

　　weak_ptr是指向shared_ptr管理的对象的一种智能指针，然而它不控制所指向对象的生存期。将一个weak_ptr绑定在shared_ptr上，不会改变shared_ptr的引用计数，一旦最后一个shared_ptr的指向对象被摧销毁，对象就会被释放，有无weak_ptr并无卵影响。我的理解是，weak_ptr提供了指向shared_ptr底层数据的功能，控制了shared_ptr对底层数据的访问。

　　因为weak_ptr指向的对象可能不存在（shared_ptr指向的最后一个对象被销毁时），因而用它不能直接访问对象，必须调用lock函数检查其指向的对象是否存在。很容易写出一个选择语句进行控制：

auto bb = make_shared<string>(2, 'b');
weak_ptr<string> xbb(bb);
if (shared_pr<int> np = xbb.lock()) { // np不为空条件成立
  // 在if语句内，np和xbb共享对象
}

补充weak_ptr相关的函数，便于理解：

w.reset 将w置为空
w.use_count() 与w共享对象的个数
w.expired() 若w.use_count()为0，返回true，否则返回false
w.lock() 若w.expired()为true，返回一个空shared_ptr，否则返回一个指向w的对象的shared_ptr

加入《C++ Primer 5th》中的12.19题参照，题中和“智能指针和异常”并未在本篇随笔中介绍

#include <iostream>　　　　
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>
#include <initializer_list>
using namespace std;
using std::string;
using std::vector;
class StrBlobPtr;
class StrBlob {
public:
  friend class StrBlobPtr;      // 友元
  StrBlobPtr begin();         // 声明StrBlob类中的begin()和end()
  StrBlobPtr end();          // 返回一个指向它自身的StrBlobPtr
public:
  typedef vector<string>::size_type size_type;  // 类型别名，size_type = vector<string>::size_type

  StrBlob::StrBlob(initializer_list<string> il) : data(make_shared<vector<string>>(il)) {};  // 接受一个initializer_list参数的构造函数将其参数传　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　递给对应的vector构造函数，通过拷贝列表
  StrBlob::StrBlob() : data(make_shared<vector<string>>()) {};                 // 构造函数，初始化data成员，指向动态分配的vector          　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中的值初始化vector元素
  void push_back(const string &t) { data->push_back(t); }
  string& StrBlob::front() {
    check(0, "front on empty StrBlob");
    return data->front();
  }
  string& StrBlob::back() {
    check(0, "back on empty StrBlob");
    return data->back();
  }
  void StrBlob::pop_back() {             // 删除尾元素
    check(0, "pop_back empty StrBlob");
    return data->pop_back();
  }
  string& front() const { return data->front(); };
  string& back() const { return data->back(); };
private:
  shared_ptr<vector<string>> data;
  void StrBlob::check(size_type i, const string &msg) const {  // 检查元素是否存在
    if (i >= data->size())                  // 若不存在
      throw out_of_range(msg);               // 抛出异常
  }
};
class StrBlobPtr {
public:
  StrBlobPtr() : curr(0) {};
  StrBlobPtr(StrBlob &a, size_t sz = 0) : wptr(a.data), curr(sz) {};
  string & deref() const {
    auto p = check(curr, "dereference past end");
    return (*p)[curr];  // check成功，返回一个p指针，指向make_shared指向的vector
  }            // 解引用，make_shared获取vector，用下表运算符返回curr位置上的对象
  StrBlobPtr& incr() {
    check(curr, "increment past end of StrBlobPtr");
    ++curr;
    return *this;
  }
  bool operator!=(const StrBlobPtr& p) { return p.curr != curr; }

private:
  weak_ptr<vector<string>> wptr;
  size_t curr;
  shared_ptr<vector<string>> check(size_t i, const string& msg) const
  {
    auto rent = wptr.lock();
    if (!rent)
      throw runtime_error("unbound StrBlobPtr");
    if (i >= rent->size())
      throw out_of_range(msg);
    return rent;
  }
};
StrBlobPtr StrBlob::begin()
{
  return StrBlobPtr(*this);
}
StrBlobPtr StrBlob::end()
{
  return StrBlobPtr(*this, data->size());
}