C++11/14中的新特性：对标准库的扩充 - 智能指针和引用计数

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“C++11/14中的新特性”系列汇总：

一、RAII 与引用计数

了解 Objective-C/Swift 的程序员应该知道引用计数的概念。引用计数这种计数是为了防止内存泄露而产生的。基本想法是对于动态分配的对象，进行引用计数，每当增加一次对同一个对象的引用，那么引用对象的引用计数就会增加一次，每删除一次引用，引用计数就会减一，当一个对象的引用计数减为零时，就自动删除指向的堆内存。

在传统 C++ 中，『记得』手动释放资源，总不是最佳实践。因为我们很有可能就忘记了去释放资源而导致泄露。所以通常的做法是对于一个对象而言，我们在构造函数的时候申请空间，而在析构函数（在离开作用域时调用）的时候释放空间，也就是我们常说的 RAII 资源获取即初始化技术。

凡事都有例外，我们总会有需要将对象在自由存储上分配的需求，在传统 C++ 里我们只好使用 new 和 delete 去『记得』对资源进行释放。而 C++11 引入了智能指针的概念，使用了引用计数的想法，让程序员不再需要关心手动释放内存。这些智能指针就包括 std::shared_ptr/std::unique_ptr/std::weak_ptr，使用它们需要包含头文件 <memory>。

注意：引用计数不是垃圾回收，引用技术能够尽快收回不再被使用的对象，同时在回收的过程中也不会造成长时间的等待，更能够清晰明确的表明资源的生命周期。

二、std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种智能指针，它能够记录多少个 shared_ptr 共同指向一个对象，从而消除显示的调用 delete，当引用计数变为零的时候就会将对象自动删除。

但还不够，因为使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 来调用，这使得代码出现了某种程度上的不对称。

std::make_shared 就能够用来消除显示的使用 new，所以std::make_shared 会分配创建传入参数中的对象，并返回这个对象类型的std::shared_ptr指针。例如：

#include <iostream>
#include <memory>

void foo(std::shared_ptr<int> i)
{
    (*i)++;
}
int main()
{
    // auto pointer = new int(10); // 非法, 不允许直接赋值
    // 构造了一个 std::shared_ptr
    auto pointer = std::make_shared<int>(10);
    foo(pointer);
    std::cout << *pointer << std::endl; // 11

    // 离开作用域前，shared_ptr 会被析构，从而释放内存
    return 0;
}

std::shared_ptr 可以通过 get() 方法来获取原始指针，通过 reset() 来减少一个引用计数，并通过get_count()来查看一个对象的引用计数。例如：

auto pointer = std::make_shared<int>(10);
auto pointer2 = pointer;    // 引用计数+1
auto pointer3 = pointer;    // 引用计数+1
int *p = pointer.get();             // 这样不会增加引用计数

std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;      // 3
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl;    // 3
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl;    // 3

pointer2.reset();
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;      // 2
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl;    // 0, pointer2 已 reset
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl;    // 2

pointer3.reset();
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl;      // 1
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl;    // 0
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl;

三、std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占的智能指针，它禁止其他智能指针与其共享同一个对象，从而保证了代码的安全：

std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10);   // make_unique 从 C++14 引入
std::unique_ptr<int> pointer2 = pointer;    // 非法

make_unique 并不复杂，C++11 没有提供 std::make_unique，可以自行实现：

template<typename T, typename ...Args>
std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) {
    return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) );
}

至于为什么没有提供，C++ 标准委员会主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因为『被他们忘记了』。

既然是独占，换句话说就是不可复制。但是，我们可以利用 std::move 将其转移给其他的 unique_ptr，例如：

#include <iostream>
#include <memory>

struct Foo {
    Foo()      { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl;  }
    ~Foo()     { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }
    void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl;  }
};

void f(const Foo &) {
    std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;
}

int main() {
    std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>());

    // p1 不空, 输出
    if (p1) p1->foo();
    {
        std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));

        // p2 不空, 输出
        f(*p2);

        // p2 不空, 输出
        if(p2) p2->foo();

        // p1 为空, 无输出
        if(p1) p1->foo();

        p1 = std::move(p2);

        // p2 为空, 无输出
        if(p2) p2->foo();
        std::cout << "p2 被销毁" << std::endl;
    }
    // p1 不空, 输出
    if (p1) p1->foo();

    // Foo 的实例会在离开作用域时被销毁
}

四、std::weak_ptr

如果你仔细思考 std::shared_ptr 就会发现依然存在着资源无法释放的问题。看下面这个例子：

#include <iostream>
#include <memory>

class A;
class B;

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> pointer;
    ~A() {
        std::cout << "A 被销毁" << std::endl;
    }
};
class B {
public:
    std::shared_ptr<A> pointer;
    ~B() {
        std::cout << "B 被销毁" << std::endl;
    }
};
int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->pointer = b;
    b->pointer = a;

    return 0;
}

运行结果是 A, B 都不会被销毁，这是因为 a,b 内部的 pointer 同时又引用了 a,b，这使得 a,b的引用计数均变为了 2，而离开作用域时，a,b 智能指针被析构，却智能造成这块区域的引用计数减一，这样就导致了 a,b 对象指向的内存区域引用计数不为零，而外部已经没有办法找到这块区域了，也就造成了内存泄露，如图所示：

解决这个问题的办法就是使用弱引用指针 std::weak_ptr，std::weak_ptr是一种弱引用（相比较而言 std::shared_ptr 就是一种强引用）。弱引用不会引起引用计数增加，当换用弱引用时候，最终的释放流程如下图所示：

在上图中，最后一步只剩下 B，而 B 并没有任何智能指针引用它，因此这块内存资源也会被释放。

std::weak_ptr 没有 * 运算符和 -> 运算符，所以不能够对资源进行操作，它的唯一作用就是用于检查 std::shared_ptr 是否存在，expired() 方法在资源未被释放时，会返回 true，否则返回 false。

正确的代码如下：

#include <iostream>
#include <memory>

class A;
class B;

class A {
public:
    // A 或 B 中至少有一个使用 weak_ptr
    std::weak_ptr<B> pointer;
    ~A() {
        std::cout << "A 被销毁" << std::endl;
    }
};
class B {
public:
    std::shared_ptr<A> pointer;
    ~B() {
        std::cout << "B 被销毁" << std::endl;
    }
};
int main() {
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
    a->pointer = b;
    b->pointer = a;

    return 0;
}

总结

智能指针这种技术并不新奇，在很多语言中都是一种常见的技术，C++1x 将这项技术引进，在一定程度上消除了 new/delete 的滥用，是一种更加成熟的编程范式。

本节代码：

http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/605/5.zip

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