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C++11之shared_ptr

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引言：本节介绍C++11新特性之 shared_ptr 智能指针。

背景

在实际的 C++ 开发中，我们经常会遇到诸如程序运行中突然崩溃、程序运行所用内存越来越多最终不得不重启等问题，这些问题往往都是内存资源管理不当造成的。比如：

  • 有些内存资源已经被释放，但指向它的指针并没有改变指向（成为了野指针），并且后续还在使用；
  • 有些内存资源已经被释放，后期又试图再释放一次（重复释放同一块内存会导致程序运行崩溃）；
  • 没有及时释放不再使用的内存资源，造成内存泄漏，程序占用的内存资源越来越多。

针对以上这些情况，很多程序员认为 C++ 语言应该提供更友好的内存管理机制，这样就可以将精力集中于开发项目的各个功能上。事实上，显示内存管理的替代方案很早就有了，早在 1959 年前后，就有人提出了“垃圾自动回收”机制。所谓垃圾，指的是那些不再使用或者没有任何指针指向的内存空间，而“回收”则指的是将这些“垃圾”收集起来以便再次利用。如今，垃圾回收机制已经大行其道，得到了诸多编程语言的支持，例如 Java、Python、C#、PHP 等。而 C++ 虽然从来没有公开得支持过垃圾回收机制，但 C++98/03 标准中，支持使用 auto_ptr 智能指针来实现堆内存的自动回收；C++11 新标准在废弃 auto_ptr 的同时，增添了 **unique_ptr、shared_ptr 以及 weak_ptr **这 3 个智能指针来实现堆内存的自动回收。所谓智能指针，可以从字面上理解为“智能”的指针。具体来讲，智能指针和普通指针的用法是相似的，不同之处在于，智能指针可以在适当时机自动释放分配的内存。也就是说，使用智能指针可以很好地避免“忘记释放内存而导致内存泄漏”问题出现。由此可见，C++ 也逐渐开始支持垃圾回收机制了，尽管目前支持程度还有限。

C++ 智能指针底层是采用引用计数的方式实现的。简单的理解，智能指针在申请堆内存空间的同时，会为其配备一个整形值（初始值为 1），每当有新对象使用此堆内存时，该整形值 +1；反之，每当使用此堆内存的对象被释放时，该整形值减 1。当堆空间对应的整形值为 0 时，即表明不再有对象使用它，该堆空间就会被释放掉。

说明

实际上，每种智能指针都是以类模板的方式实现的，shared_ptr 也不例外。shared_ptr<T>（其中 T 表示指针指向的具体数据类型）的定义位于<memory>头文件，并位于 std 命名空间中，因此在使用该类型指针时，程序中应包含如下 2 行代码：

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# include<memory>
using namespace std；	//也可以不添加，则后续在使用 shared_ptr 智能指针时，就需要明确指明std::。

值得一提的是，和 unique_ptr、weak_ptr 不同之处在于，多个 shared_ptr 智能指针可以共同使用同一块堆内存。并且，由于该类型智能指针在实现上采用的是引用计数机制，即便有一个 shared_ptr 指针放弃了堆内存的“使用权”（引用计数减 1），也不会影响其他指向同一堆内存的 shared_ptr 指针（只有引用计数为 0 时，堆内存才会被自动释放）。

shared_ptr智能指针的创建

shared_ptr<T> 类模板中，提供了多种实用的构造函数，这里列举了几个常用的构造函数（以构建指向 int 类型数据的智能指针为例）。

  1. 通过如下 2 种方式，可以构造出 shared_ptr 类型的空智能指针：
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std::shared_ptr<int> p1;			// 不传入任何参数			
std::shared_ptr<int> p2(nullptr);	// 传入空指针nullptr

注意，空的 shared_ptr 指针，其初始引用计数为 0，而不是 1。

  1. 在构建 shared_ptr 智能指针，也可以明确其指向。例如：
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std::shared_ptr<int> p3(new int(10));

由此，我们就成功构建了一个 shared_ptr 智能指针，其指向一块存有 10 这个 int 类型数据的堆内存空间。

同时，C++11 标准中还提供了 std::make_shared<T> 模板函数，其可以用于初始化 shared_ptr 智能指针，例如：

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std::shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>(10);

以上 2 种方式创建的 p3 是完全相同。

注意，不能将一个原始指针直接赋值给一个智能指针：

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std::shared_ptr<int> p3 = new int(10);		// 错误
  1. 除此之外，shared_ptr<T> 模板还提供有相应的拷贝构造函数和移动构造函数，例如：
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// 调用拷贝构造函数
std::shared_ptr<int> p4(p3);	//或者
std::shared_ptr<int> p4 = p3;
// 调用移动构造函数
std::shared_ptr<int> p5(std::move(p4));	// 或者
std::shared_ptr<int> p5 = std::move(p4);

如上所示，p3 和 p4 都是 shared_ptr 类型的智能指针，因此可以用 p3 来初始化 p4，由于 p3 是左值，因此会调用拷贝构造函数。需要注意的是，如果 p3 为空智能指针，则 p4 也为空智能指针，其引用计数初始值为 0；反之，则表明 p4 和 p3 指向同一块堆内存，同时该堆空间的引用计数会加 1。

而对于 std::move(p4) 来说，该函数会强制将 p4 转换成对应的右值，因此初始化 p5 调用的是移动构造函数。另外和调用拷贝构造函数不同，用 std::move(p4) 初始化 p5，会使得 p5 拥有了 p4 的堆内存，而 p4 则变成了空智能指针。

注意，同一普通指针不能同时为多个 shared_ptr 对象赋值，否则会导致程序发生异常。例如：

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int* ptr = new int;
std::shared_ptr<int> p1(ptr);
std::shared_ptr<int> p2(ptr);	// 错误
  1. 在初始化 shared_ptr 智能指针时，还可以自定义所指堆内存的释放规则，这样当堆内存的引用计数为 0 时，会优先调用我们自定义的释放规则。

在某些场景中，自定义释放规则是很有必要的。比如，对于申请的动态数组来说，shared_ptr 指针默认的释放规则是不支持释放数组的，只能自定义对应的释放规则，才能正确地释放申请的堆内存。

对于申请的动态数组，释放规则可以使用 C++11 标准中提供的 default_delete<T> 模板类，我们也可以自定义释放规则：

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// 指定 default_delete 作为释放规则
std::shared_ptr<int> p6(new int[10], std::default_delete<int []>());

// 自定义释放规则
void deleteInt(int *p) {
    delete [] p;
}

// 初始化