C++智能指针以及我们为什么要使用智能指针_为什么要结合使用智能指针和new

前言

智能指针我也是看过了很多文章，也自己尝试了自己去设计和实现，但是一直有一个问题存疑在我心中——那就是我们为什么要使用智能指针。我既然能够很好地使用new和delete去管理我的堆上内存，也留意了拷贝构造函数的浅拷贝问题，似乎也就没有智能指针的用武之地了。如果有同样想法的同学，应该好好看看我这篇博文。

对象生命周期的管理问题

最近在复习设计模式，用C++去写一些设计模式的代码，然后就想到了一些问题：设计模式肯定是要用到多态的，而C++的多态是用指针或引用来实现的（基本上是用指针），但是如果用的是原生指针，那对象的生命周期该如何管理？很显然，我们不能再用以前手动new / delete的方式去维护对象的生命周期，因为我们无法得知对象应该在什么时候要被析构掉。在各种设计模式中，一个对象不再是个独立的个体，他可能会和许多的对象产生关系，所以就很难维护一个个体的生命周期。

然后这几天在看陈硕的《Linux多线程服务端编程：使用muduo C++网络库》，里面的第一章就着重讲了多线程中对象的生命周期管理。设计模式的对象生命周期管理还算简单，但是这个问题一旦放到多线程中，就变成了一个更加复杂且麻烦的事情。多线程的不确定性大大提高了对象生命周期的维护难度，使用原生指针很容易就会造成空悬指针的问题（浅拷贝造成的问题也是空悬指针）。比起内存泄漏，这是个更加严重的问题，使用空悬指针就跟使用了野指针一样，直接让程序crash掉。

所以我们希望有一种代理，能够帮我们管理指针所指向的对象的生命周期，同时使用的时候也像普通指针一样去使用。于是乎就有了智能指针这一伟大发明。

智能指针

智能指针因为其优秀的设计和不俗的性能，被纳入了C++11的标准库中，也是每个C++程序员必须掌握的技能之一。

我们通常所说的智能指针，其实就是以下几种封装好的模板类：

• auto_ptr (C++98的方案，C++11已弃用)
• unique_ptr
• scoped_ptr
• shared_ptr
• weak_ptr

除了第一个，后面的都是C++11引入的，使用时需要#include <memory>。这里主要介绍shared_ptr和weak_ptr，他们两个搭配使用就能解决大部分情况的对象生命周期管理问题。其他指针的详细内容可以去翻阅文档。

然后智能指针有以下三种特点：

• 具有RAII机制
• 能像原生指针一样使用
• 能够有效管理对象的生命周期

RAII机制（Resource Acquisition Is Initialization），资源获取即初始化。 这是智能指针的核心思想，也是C++程序设计的重要思想。这里引用陈硕书中的一句话：

初学C++的教条是“new和delete要配对，new了之后要记者delete”；如果使用RAII，要改成“每一个明确的资源配置动作（例如new）都应该在单一语句用执行，并在该语句中立刻将配置获得的资源交给handle对象（如shared_ptr），程序中一般不出现delete”。

综合特点与机制，可以推测出智能指针的设计大概是这样的：

1. 定义一个模板类来封装对象的指针；
2. 构造函数中完成资源的分配及初始化；
3. 重载->运算符和*运算符以达到原生指针的效果；
4. 析构函数中完成资源的清理，正确释放对象指针。

所以智能指针本质上就是一个模板类，他封装了T类型的对象指针，有构造函数，有拷贝构造函数，有析构函数，能重载各种运算符。所以利用好我们以前学的知识，我们自己也能封装这些智能指针。

不同的智能指针有不同的资源管理方式，我们要依情况来选择不同的智能指针。大体流程就是在智能指针构造的时候，“托付”一个堆上对象指针给他管理；然后利用对象在离开作用域的时候会调用析构函数这一机制，做到有效地管理对象生命周期，我可以在智能指针的析构函数中delete掉他管理的堆上对象指针嘛。下面我们来讨论shared_ptr和weak_ptr是怎么实现的。

shared_ptr

shared_ptr实现了共享拥有的概念，利用“引用计数”来控制堆上对象的生命周期。 原理也很简单，在初始化的时候引用计数设为1，每当被拷贝或者赋值的时候引用计数+1，析构的时候引用计数-1，直到引用计数被减到0，那么就可以delete掉对象的指针了。他的构造方式主要有以下三种：

shared_ptr<Object> ptr;
shared_ptr<Object> ptr(new Object);
shared_ptr<Object> ptr(new Object, [=](Object *){
    //回收资源时调用的函数 });
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第一种空构造，没有指定shared_ptr管理的堆上对象的指针，所以引用计数为0，后期可以通过reset()成员函数来指定其管理的堆上对象的指针，reset()之后引用计数设为1。

第二种是比较常见的构造方式，构造函数里面可以放堆上对象的指针，也可以放其他的智能指针（如weak_ptr），具体使用参照文档。

第三种构造方式指定了shared_ptr在析构自己所保存的堆上对象的指针时（即引用计数为0时）所要调用的函数，这说明我们可以自定义特定对象的特定析构方式。同样的，reset()成员函数也可以指定析构时调用的指定函数。

除了以上三种构造方式外，我们还有一种比较常见的构造shared_ptr的方式：

auto ptr = make_shared<Object>(args);
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这是最安全的一种方式，使用标准库里边的make_shared<>()模板函数。该函数会调用模板类的构造方法，实例化一个堆上对象，然后将保存了该对象指针的shared_ptr返回。参数是该类构造函数的参数，所以使用make_shared<>()就好像单纯地在构造该类对象一样。auto是C++11的一个关键字，可以在编译期间自动推算变量的类型，在这里就是shared_ptr<Object>类型。

shared_ptr的其他成员函数，在这里就简单地列举一下：

use_count()	//返回引用计数的个数

unique()	//返回是否是独占所有权(use_count是否为1)

swap()		//交换两个shared_ptr对象(即交换所拥有的对象，引用计数也随之交换)

reset()		//放弃内部对象的所有权或拥有对象的变更, 会引起原有对象的引用计数的减少
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shared_ptr所带来的问题

值得一提的是，shared_ptr是一种强引用，引用陈硕书中对强引用的描述就是：就好像对象上面绑了一根根的铁丝。对象身上的铁丝不全数卸干净，对象就无法得到释放，这个比喻还是很贴切的。因此shared_ptr也会带来一定的麻烦，比如他会意外地延长对象的寿命然后的空悬指针。对这些技术上的陷阱感兴趣的同学可以去读读陈硕的那本书。

还有一个问题就是两个shared_ptr对象相互引用造成的死锁问题，这个是比较典型的问题，具体看一下代码：

class B;
class A
{
   
public:
	shared_ptr<B> pb_;
	~A
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