C++智能指针（1）

一、问题引入
关于C++中的new和delete操作符，
我们知道这两个操作符必须成对存在，才能避免内存泄漏。

这一点在学习的时候被认为是常识，然而，在实际编写代码的过程中，却常常很难做到。
下面有3种情况：

1、代码很长。
当需要用到delete的地方离使用与之对应的new操作符距离非常远时，我们很容易忘记delete。当然，这种情况是完全可以避免的。

2、如下面代码：

void Test()
{
int *pi = new int(1);
if(1)
{
return;
}
delete pi;     //程序并没有执行到这一步
}
int main()
{
void Test();
return 0;
}

这里我们在Test函数中，开辟了一段长度为 1个int类型大小 的动态内存，
但接下来，进入if语句，直接return掉了，因此之前开辟的那段内存没有得到回收，导致内存泄漏。
对于这种情况，我们可以这样修改：

void Test()
{
int *pi = new int(1);
if(1)
{
delete pi;
return;
}
delete pi;    //程序并没有执行到这一步
}
int main()
{
void Test();
return 0;
}

3、让情况再复杂一些，看看这段代码：

void DoSomeThing()
{
if(1)
{
throw 1;
}
}
void Test()
{
int *pi = new int(1);
DoSomeThing();
delete pi;
}
int main()
{
try
{
Test1();
}
catch(...)
{
;
}
return 0;
}

在Test()函数中，看似new和delete是成对存在的，中间也只有一行代码，
然而当中间这个DoSomeThing()抛出异常导致这个程序结构不是按部就班地进行时，
仍然没有执行delete pi 这一步。
这种情况我们仍然可以做如下修正：

void DoSomeThing()
{
if(1)
{
throw 1;
}
}
void Test()
{
int *pi = new int(1);
try
{
DoSomeThing();
}
catch(...)
{
delete pi;
throw;
}
delete pi;
}
int main()
{
try
{
Test1();
}
catch(...)
{
;
}
return 0;
}

在Test中加上一个try catch语句，作为DoSomeThing()函数抛出异常的“中介”，处理动态内存。

以上3种情况都是完全可以解决的。
但特别是当程序是类似情况3的结构，甚至更复杂的时候，我们不得不加上一大堆的代码，却仅仅是为了处理动态内存的回收。
这是十分影响开发效率的，同时程序也变得难以阅读。

二、简单的智能指针
我们知道，类的成员函数中，析构函数的存在似乎能解决动态内存回收的问题：当程序出了类的作用域，会自动调用该类的析构函数。
带着这个思想，我们定义一个名为AutoPtr的类模板

template<typename T>
class AutoPtr
{
public:
AutoPtr(T *ptr = NULL)
:_ptr(ptr)
{}
AutoPtr(AutoPtr<T> &ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = NULL;
}
~AutoPtr()
{
if (_ptr != NULL)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = NULL;
}
}
AutoPtr<T> operator=(AutoPtr<T> &ap)
{
if(this != &ap)
{
if (_ptr != ap._ptr)
{
delete _ptr;
}
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
T &operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
protected:
T* _ptr;

值得注意的是，当这个模板类的模板类型为结构体或类时，我们需要访问该类的成员，因此需要一个
"->"操作符的重载，举个例子：
已知结构体stru的定义如下：

struct stru
{
void PrintTest()
{
std::cout << "hi" << std::endl;
}
};

对于这样的类，当我们执行如下代码

stru st1;
stru *ps1 = &st1;
AutoPtr<stru> aps1(ps1);
aps1->PrintTest();//操作符的重载

最后一行发生 "->"操作符的重载，但根据之前关于 "->"操作符的定义严格意义上，访问到的是
_ps1; 这行代码实际上经过重载后，应该为：_ps1PrintTest()
其实这里是编译器为了保证代码的可读性，把_ps1PrintTest优化为 _ps1->PrintTest()。
（这个优化在g++和VS2015中都是存在的）

当然，这个智能指针并不完美，仔细观察我的拷贝构造函数和赋值操作符的重载，你会发现，每当我们进行拷贝或者赋值的时候，永远都是让源智能指针置空，也就是说，同一时间一段动态内存只能由一个智能指针来维护。
这样做是有原因的：如果有若干个个智能指针指向同一块动态空间，那么在析构的时候，将会对这块空间析构若干次，程序必然崩溃。所以我只能让这个类具有“同一时间一段动态内存只能由一个智能指针来维护”的特性。

总之，尽管不完美，但我们还是实现类一个简单的智能指针AutoPtr。有了它，我们可以不用手动delete，将释放内存的工作全部交给析构函数来处理。

上面说的“不完美”主要体现为以下几点，也是我接下来要解决的问题：

1、“同一时间一段动态内存只能由一个智能指针来维护”的特性：这个特性让它和普通的指针“不太像”，不符合普遍的编程习惯，
此外如果手动构造多个指向同一内存的智能指针，仍会导致析构函数的时候对同一内存析构多次，仍会令程序崩溃，因此这样的做法并没有根本上解决问题；
2、智能指针只能指向动态内存，如果指向静态内存，在析构的过程中必然崩溃。

最初AutoPtr还有另外一种实现方式，
代码如下：

template <class T>
class OldAutoPtr
{
public:
OldAutoPtr(T *ptr)
:_ptr(ptr)
,_IsHost(true)
{
std::cout << "构造" << std::endl;
}

OldAutoPtr(OldAutoPtr<T> &oap)
:_ptr(oap._ptr)
,_IsHost(true)
{
oap._IsHost = false;
}

~OldAutoPtr()
{
if (_IsHost)
{
std::cout << "释放" << std::endl;
delete _ptr;
}
}

public:
T &operator*()
{
return *_ptr;
}

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

OldAutoPtr<T>& operator=(OldAutoPtr<T> &oap)
{
if (_IsHost)
{
cout << "释放" << endl;
delete _ptr;
}
_ptr = oap._ptr;
_IsHost = true;
oap._IsHost = false;
return *this;
}
void Test()
{
cout << "test" << endl;
}

protected:
T* _ptr;
bool _IsHost;
};

成员变量_IdHost需要保证对于多个指向同一个动态内存的指针，只能有一个指针为ture。
这样，在析构时，只对_IsHost值为ture的指针进行内存释放。
在这种实现方式下，允许多个指针指向同一块动态内存。
但这种方式存在隐患，如下面这种情况：

int a = 0;
int b = 1;
auto_ptr<int> ap1(new int(1));
if (a < b)
{
auto_ptr<int> ap2(ap1);
}

这时候，ap1指向的空间已经释放，但仍然可以访问ap1指向的空间，这样就成为了野指针。
因此这种实现方式存在严重漏洞。

三、防拷贝措施（ScopedPtr）
我之前写的AutoPtr有种种不完美之处，需要对其进行一些改进，其中由于拷贝和赋值的不合理导致同一时间在特定的一段动态内存，只能存在一个AutoPtr维护，针对这个问题，ScopedPtr 和 SharedPtr都是对AutoPtr的改进
ScopedPtr类模板的定义如下：

template<typename T>
class ScopedPtr
{
public:
ScopedPtr(T* ptr = NULL)
:_ptr(ptr)
{}

~ScopedPtr()
{
if (_ptr)
{
cout << "delete:" << _ptr << endl;
delete _ptr;
_ptr = NULL;
}
}
T &operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
protected:
ScopedPtr(ScopedPtr<T> &sp);
ScopedPtr<T> &operator=(ScopedPtr<T> &sp);
protected:
T* _ptr;
};

这里跟AutoPtr的区别在于
1：拷贝构造函数和赋值操作符重载函数只声明，没有定义
2：并且以上两个函数的声明放在了protected限定符内

采用这样的做法，当我们想对ScopedPtr类型的变量进行拷贝构造或者赋值时，由于并没有定义相应的函数，程序是无法编译通过的，因此根本上就防止了赋值行为的发生
此外，将这两个函数放在protected限定符内也是有意义的：假如我们声明这两个函数为public，那么的确可以起到同样防止调用的效果。
但是一旦这样做，造成的后果就是，其他人在读这样的代码时，有可能会误解为我们没来得及定义这两个函数，然后“画蛇添足”地加上相应的定义，如此一来，这个ScopedPrt类就与之前我们定义的AutoPtr类没两样了。
此外，心怀恶意的“捣乱者”一旦看到这样的漏洞，破坏掉你的程序也将会轻而易举——只需要给这两个函数写上定义就可以了。
总之，将这两个函数声明为protected是有意义的，它可以防止其他人对程序的破坏行为。

四、进一步改进（SharedPtr）
到这里，简单的ScopedPtr类已经实现了，它可以防止让多个指针对同一片动态内存的行为。
但前提是你必须按照规范，一旦像下面这段代码的方式使用ScopedPtr，那么我们刚才做的一系列保护就失去作用了：

int *pi = new int(1);
ScopedPtr<int> sp1(pi);
ScopedPtr<int> sp2(pi);

执行上面这段代码，仍然可以让两个ScopedPtr类型的智能指针指针指向同一片动态内存，因此这两个
ScopedPtr指针在退出作用域自动调用析构函数时，必然会对同一块内存释放2次，程序崩溃。

看来，ScopedPtr仍不是最佳的解决方式。我们希望实现一种新的智能指针，它能够允许多个该智能指针指向同一块内存。

于是，我们试着实现一个名为 SharedPtr 的类，要想实现允许多个智能指针指向同一块内存，需要修改一下我们之前定义的析构函数中的那个delete语句的条件。
举个例子，有2个智能指针sp1 sp2指向同一块动态内存，那么在这两个指针的析构函数调用时，delete的行为应该只发生一次。
也就是说 假设当析构sp1时，我们应该在delete之前检测sp1所指向的内存是否还有被其他指针维护，
若有，则不delete，
若无，才发生delete。

因此，我们还需要一个计数器变量_pCount，能够告诉我们指定的内存有几个智能指针在维护。
我们可以将_pCount定义在SharedPtr类内，SharedPtr类的定义如下：

template<typename T>
class SharedPtr
{
public:
SharedPtr(T *ptr = NULL)
:_ptr(ptr)
,_pCount(new long long(1))
{}
SharedPtr(const SharedPtr<T> &sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_pCount(sp._pCount)
{
++*(_pCount);
}
~SharedPtr()
{
if (_ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pCount;
}
}
}
SharedPtr<T> &operator=(SharedPtr<T> &sp)
{
if (this != &sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pCount;
}
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
++(*_pCount);
}
}
return *this;
}
T& operator*()
{
return *_ptr;
}
T* operator->()
{
return _ptr;
}
long long UseCount()
{
return *(_pCount);
}
protected:
T *_ptr;
long long* _pCount;
};

对于类内的这个_ptr指针成员，，每个我们在拷贝构造和赋值的时候，需要不断维护它，以保证每个指向相同内存的智能指针也同时指向相同的计数器。
有了这个计数器，在析构的时候，就可以通过计数器的值判断是否应该delete掉相应的内存了：
如果只有析构的这一个智能指针在维护这段内存，则将这段内存delete掉，同时别忘了将计数器_pCount指向的内存也delete掉。
如果判断出除了当前析构的智能指针，还有其他智能指针也在维护相应的内存，则不delete，但计数器的值要减1。

当然，在该类的赋值操作符重载函数中，为了减少程序执行的步骤，我们也可以用如下的现代式写法的方式进行定义，具体实现如下：

SharedPtr<T> &operator=(SharedPtr<T> &sp)
{
--(*_pCount);
SharedPtr<T> tmp(sp);
swap(_ptr, tmp._ptr);
_pCount = sp._pCount;
++(*_pCount);
return *this;
}

五、智能数组
我们还可以参照这些智能指针类的设计思路，设计出智能数组。
智能数组用来存放动态开辟的数组，因此析构函数释放内存采用delete[]操作符。
此外，智能数组不需要* 和 -> 操作符，但需要重载[]操作符，具体的实现如下：

template<typename T>
class SharedArr
{
public:
SharedArr(T *ptr = NULL)
:_ptr(ptr)
, _pCount(new long long(1))
{}
SharedArr(const SharedPtr<T> &sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pCount(sp._pCount)
{
++*(_pCount);
}
~SharedArr()
{
if (_ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
delete[] _ptr;
delete _pCount;
}
}
}
SharedArr<T> &operator=(SharedArr<T> &sp)
{
if (this != &sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pCount;
}
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
++(*_pCount);
}
}
return *this;
}
T &operator[](size_t index)
{
return _ptr[index];
}
long long UseCount()
{
return *(_pCount);
}
protected:
T *_ptr;
long long* _pCount;
};

可以增加一个指针成员变量保存数组的长度，修改相应的构造、拷贝构造、赋值操作符等，从而实现数组的打印等操作。
但缺点是在调用这个类的构造函数时，必须传入准确的数组长度，否则程序会出错
实现代码如下：

template<typename T>
class SharedArr
{
public:
SharedArr(T *ptr = NULL, long long size = 0)
:_ptr(ptr)
, _pSize(new long long(size))
, _pCount(new long long(1))
{}
SharedArr(const SharedPtr<T> &sp)
:_ptr(sp._ptr)
,_pSize(sp._pSize)
, _pCount(sp._pCount)
{
++*(_pCount);
}
~SharedArr()
{
if (_ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
delete[] _ptr;
delete _pCount;
delete _pSize;
}
}
}
SharedArr<T> &operator=(SharedArr<T> &sp)
{
if (this != &sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
delete _ptr;
delete _pCount;
delete _pSize;
}
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
_size = sp._pSize;
++(*_pCount);
}
}
return *this;
}
T &operator[](size_t index)
{
return _ptr[index];
}
long long UseCount()
{
return *(_pCount);
}
void Print()
{
for (int i = 0; i < *(_pSize); i++)
{
cout << _ptr[i] << " ";
}
cout << endl;
}
protected:
T *_ptr;
long long* _pSize;
long long* _pCount;
};

六、定置删除器
在我之前实现的SharedPtr中，在一些需要释放内存的地方（如析构函数、赋值操作符重载），采用了delete操作符，然而，对于非new操作符开辟的内存，这会导致程序崩溃。
比如：

int a = 10;
int *p = &a;
SharedPtr<int> sp1(p);

此外，当智能指针用于文件操作时，我们希望成员方法中用到delete的地方能产生类似fopen的效果，因此需要用到定置删除器。实现方式如下：

struct DefaultDel
{
void operator() (void *ptr)
{
std::cout << "DefaultDel::operator()" << std::endl;
delete ptr;
}
};
struct Free
{
void operator() (void *ptr)
{
std::cout << "Free::operator()" << std::endl;
free(ptr);
}
};

struct Fclose
{
void operator() (void *ptr)
{
std::cout << "Fclose::operator()" << std::endl;
fclose((FILE*)ptr);
}
};

struct Stack
{
void operator() (void *ptr)
{
std::cout << "Stack::operator()" << std::endl;
}
};

//基于定置删除器的类模板

template<class T, class D = DefaultDel>
class SharedPtr
{
public:
SharedPtr(T *ptr)
:_ptr(ptr)
, _pCount(new long long(1))
{}

SharedPtr(T *ptr, D del)
:_ptr(ptr)
,_pCount(new long long(1))
,_del(del)
{}

SharedPtr(const SharedPtr<T, D> &sp)
:_ptr(sp._ptr)
, _pCount(sp._pCount)
{
++*(_pCount);
}

void _Release()
{
_del(_ptr);
delete _pCount;
}
~SharedPtr()
{
if (_ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
_Release();
}
}
}
SharedPtr<T, D> &operator=(SharedPtr<T, D> &sp)
{
if (this != &sp)
{
if (_ptr != sp._ptr)
{
if (--(*_pCount) == 0)
{
_Release();
}
_ptr = sp._ptr;
_pCount = sp._pCount;
++(*_pCount);
}
}
return *this;
}
T &operator[](size_t index)
{
return _ptr[index];
}
long long UseCount()
{
return *(_pCount);
}
protected:
T *_ptr;
long long* _pCount;
D _del;
};

在这种实现方式中，我定义了四种类：DefaultDel、Free、Fclose、Stack，它们分别可以对应new、malloc开辟的动态内存，以及用于文件操作（指向fopen类型数据）的指针、指向栈空间（静态内存）的指针。
然后在每个类中实现()操作符的重载，重载函数实现了它们对于指定内存类型的处理方式。这样就可以用类似函数的方式调用这些重载函数。
为了方便起见，在SharedPtr类中，我还声明了D类型的成员变量_del，这样调用_del()就可以实现相应类型的结构体中的()重载函数，也就是定置删除的功能。
使用方式如下：

int a = 10;
int *p = &a;
SharedPtr<int, Stack> sp1(p);

由于p指向的内存不是new操作符开辟的，因此模板参数不能用缺省值，
Stack是针对栈内存的定置删除器，因此采用Stack

七、梳理

智能指针的实现，是利用了类的析构函数“已构造的对象最终会销毁，即它的析构函数最终会被调用”的特性，即RAII。智能指针的意义在于让我们不用关心指针指向对象的回收、处理。因此对于特定的内存，我们需要写特定的定置删除器进行处理。以上是我实现的AutoPtr ScopedPtr SharedPtr,实际上在boost库中，已经实现同名的智能指针，只不过命名方式为下划线法(如shared_ptr)此外，在C++新标准中，这些智能指针也是标准库中的成员，我们只需要引头文件 memory即可使用这些智能指针(其中，scoped_ptr被“改名”为 unique_ptr)。
//关于boost库的编译，这是我的步骤http://zhweizhi.blog.51cto.com/10800691/1760312