智能指针
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智能指针是一种预防型的内存泄漏的解决方案。智能指针在C++没有垃圾回收器的环境下，可以很好的解决异常安全等带来的内存泄露问题。
RAII是一种利用对象生命周期来控制程序资源的简单技术。
在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此没玩们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处：
- 不需要显示的释放资源（例如锁）
- 对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效。
智能指针的原理：
- RAII特性
- 重载operator*和operator->，具有指针一样的行为
C++98提供了auto_ptr的智能指针
auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想
template<class T>
class AutoPtr
{
public:
AutoPtr(T* ptr = NULL)
:_ptr(ptr)
{}
~AutoPtr()
{
if(_ptr)
delete _ptr;
}
//一旦发生拷贝，就将ap中资源转移到当前对象中，然后令ap与其所管理资源断开联系
//这样就解决了一块空间被多个对象使用而造成程序奔溃问题
AutoPtr(AutoPtr<T>& ap)
:_ptr(ap._ptr)
{
ap._ptr = NULL;
}
AutoPtr<T>& operator=(AutoPtr<T>& ap)
{
if(this != &ap)//检测是否给自己赋值
{
//释放当前对象中的资源
if(_ptr)
delete _ptr;
//转移ap中的资源到当前对象中
_ptr = ap._ptr;
ap._ptr = NULL;
}
return *this;
}
T* operator*(){return *_ptr;}
T& operator->(){return _ptr;}
private:
T* _ptr;
};
auto_ptr缺点：拷贝后会把原来对象的指针赋空了，导致ap对象悬空，通过原来的对象访问资源时就会出现问题。
c++11提供更靠谱的unique_ptr
unique_ptr的实现原理：防拷贝
template<class T>
class UniquePtr
{
public:
UniquePtr(T * ptr = nullptr)
: _ptr(ptr)
{}
~UniquePtr()
{
if (_ptr)
delete _ptr;
}
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
private:
// C++98防拷贝的方式：只声明不实现+声明成私有
//UniquePtr(UniquePtr<T> const &);
//UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &);
// C++11防拷贝的方式：delete
UniquePtr(UniquePtr<T> const &) = delete;
UniquePtr & operator=(UniquePtr<T> const &) = delete;
private:
T * _ptr;
};
C++11提供更靠谱的并且支持拷贝的shared_ptr
shared_ptr的原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源
- shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。
- 在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。
- 如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；
- 如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。
#include <thread>
#include <mutex>
template <class T>
class SharedPtr
{
public:
SharedPtr(T* ptr = nullptr)
: _ptr(ptr),
_pRefCount(new int(1)),
_pMutex(new mutex)
{
// 如果是一个空指针对象，则引用计数给0
if (_ptr == nullptr)
*_pRefCount = 0;
}
~SharedPtr()
{
Release();
}
//拷贝
SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
: _ptr(sp._ptr),
_pRefCount(sp._pRefCount),
_pMutex(sp._pMutex)
{ // 如果是一个空指针对象，则不加引用计数，否则才加引用计数
if (_ptr)
AddRefCount();
}
// sp1 = sp2
SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
{
//if (this != &sp)
if (_ptr != sp._ptr)
{
// 释放管理的旧资源
Release();
// 共享管理新对象的资源，并增加引用计数
_ptr = sp._ptr;
_pRefCount = sp._pRefCount;
_pMutex = sp._pMutex;
if (_ptr)
AddRefCount();
}
return *this;
}
T& operator*() { return *_ptr; }
T* operator->() { return _ptr; }
int UseCount()
{
return *_pRefCount;
}
T* Get()
{
return _ptr;
}
int AddRefCount()
{
// 加锁或者使用加1的原子操作
_pMutex->lock();
++(*_pRefCount);
_pMutex->unlock();
return *_pRefCount;
}
int SubRefCount()
{
// 加锁或者使用减1的原子操作
_pMutex->lock();
--(*_pRefCount);
_pMutex->unlock();
return *_pRefCount;
}
private:
void Release()
{
// 引用计数减1，如果减到0，则释放资源
if (_ptr && SubRefCount() == 0)
{
delete _ptr;
delete _pRefCount;
}
}
private:
int* _pRefCount; // 引用计数
T* _ptr; // 指向管理资源的指针
mutex* _pMutex; // 互斥锁
};
std::shared_ptr的线程安全问题
- 智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，由于++和--并不是原子的，因此对齐操作要加锁。
- 智能指针管理的对象存放在堆上，两个线程中同时去访问，会导致线程安全问题。
- 也就是说它本身是线程安全的，但是他管理的资源不是线程安全的。
循环引用
weak_ptr可以解决这个问题，weak_ptr支持把一个shared_ptr对象赋给weak_ptr对象（赋值和拷贝构造的参数写成shared_ptr，重载），
weak_ptr不会增加引用计数，weak_ptr，析构函数不释放资源，不是RAII，weak_ptr是shared_ptr的小保姆，收拾循环引用的，但是这种方式是被动的，需要程序员来写，它自己并不会自动来管理。
struct ListNode
{
int _data;
weak_ptr<ListNode> _prev;
weak_ptr<ListNode> _next;
//shared_ptr<ListNode> _prev;
//shared_ptr<ListNode> _next;
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
shared_ptr<ListNode> node1(new ListNode);
shared_ptr<ListNode> node2(new ListNode);
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
node1->_next = node2;
node2->_prev = node1;
cout << node1.use_count() << endl;
cout << node2.use_count() << endl;
//system("pause");
return 0;
}
- node1和node2两个智能指针对象指向两个节点，引用计数变成1，我们不需要手动delete。
- node1的_next指向node2，node2的_prev指向node1，引用计数变成2。
- node1和node2析构，引用计数减到1，但是_next还指向下一个节点。但是_prev还指向上一个节点。
- 也就是说_next析构了，node2就释放了。
- 也就是说_prev析构了，node1就释放了。
- 但是_next属于node的成员，node1释放了，_next才会析构，而node1由_prev管理，_prev属于node2 成员，所以这就叫循环引用，谁也不会释放。
不是new出来的对象，shared_ptr设计了一个删除器来解决这个问题。
假设对象是malloc出来的，构造函数还可以传一个删除器的东西，一个仿函数。
template<class T>
struct FreeFunc {
void operator()(T* ptr)
{
cout << "free:" << ptr << endl;
free(ptr);
}
};
template<class T>
struct DeleteArrayFunc {
void operator()(T* ptr)
{
cout << "delete[]" << ptr << endl;
delete[] ptr;
}
};
int main()
{
FreeFunc<int> freeFunc;
shared_ptr<int> sp1((int*)malloc(4), freeFunc);
DeleteArrayFunc<int> deleteArrayFunc;
shared_ptr<int> sp2((int*)malloc(4), deleteArrayFunc);
return 0;
}
C++11和boost中智能指针的关系
boost是C++的一个非官方的第三方库，产生了很多有用的东西
- C++ 98 中产生了第一个智能指针auto_ptr.
- C++ boost给出了更实用的scoped_ptr和shared_ptr和weak_ptr.
- C++ TR1，引入了shared_ptr等。不过注意的是TR1并不是标准版。
- C++ 11，引入了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的 scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。
守卫锁
RAII思想除了可以用来设计智能指针，还可以用来设计守卫锁，防止异常安全导致的死锁问题。加锁到解锁中间抛异常，break，return
设计出一个类，构造函数的时候，就锁住，析构函数里解锁
#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>
using namespace std;
// C++11的库中也有一个lock_guard，下面的LockGuard造轮子其实就是为了学习他的原理
template<class Mutex>
class LockGuard
{
public:
LockGuard(Mutex& mtx)
:_mutex(mtx)
{
_mutex.lock();
}
~LockGuard()
{
_mutex.unlock();
}
LockGuard(const LockGuard<Mutex>&) = delete;
private:
// 注意这里必须使用引用，否则锁的就不是一个互斥量对象
Mutex& _mutex;
};
mutex mtx;
static int n = 0;
void Func()
{
for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i)
{
LockGuard<mutex> lock(mtx);
++n;
}
}
int main()
{
int begin = clock();
thread t1(Func);
thread t2(Func);
t1.join();
t2.join();
int end = clock();
cout << n << endl;
cout <<"cost time:" <<end - begin << endl;
return 0;
}
如果类内的锁不是引用，构造函数锁的才是传过来的锁。
只锁某一行，给一个{ }的局部域就好了