1. 为什么需要智能指针?

  我们在使用指针时一般都需要向内存申请一块内存空间进行使用，但是如果忘记对该块空间进行释放，就造成了内存泄漏。
  并且如果在申请内存的使用时间，程序中有异常处理，并且抛出了异常，那么这个过程中没有进行空间的释放，同样造成了内存泄漏。

内存泄漏的危害：

长期运行的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务等等，出现内存泄漏会导致响应越来越慢，最终卡死

  所以为了避免上述情况的出现，引入了只能指针，使用智能指针进行资源的管理，就可以避免上述问题。

2. RAII (资源获取及初始化)

  RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。

  巧妙利用编译器会自动调用构造函数以及析构函数的特性，来完成资源的自动释放。实际就是定义一个指针类，使用其构造函数与析构函数进行资源的管理。

构造函数: 在对象构造时获取资源，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。
析构函数: 释放资源

优点

• 不需要显式地释放资源
• 采用这种方式，对象所需的资源在其生命周期内始终保持有效

2.1 RAII方式的原理

注意: 只能指针的类中，构造函数中不能申请空间，而是由用户在外部自己申请空间，传递到只能指针的类中去管理该资源。
  智能指针只是将资源管理起来，找一个合适的时机去释放。

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template<class T>
class SmartPtr 
public:
	SmartPtr(T* ptr = nullptr)
		: _ptr(ptr)
	
	~SmartPtr()
		if(_ptr)
			delete _ptr;
	
	// 让该类对象具有指针类似的操作就可以了
	T& operator*()
		return *ptr;
	
	//  -> 只能指针指向对象或者结构体的这些场景中
	T* operator->()
		return ptr;
	
private:
	T* _ptr; // 采用类将指针管理起来
;
void MergeSort(int* a, int n)

	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int)*n);
	// 将tmp指针委托给了sp对象，给tmp指针找了一个可怕的女朋友！天天管着你，直到你go die^^
	SmartPtr<int> sp(tmp);
	// _MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);
	
	// 这里假设处理了一些其他逻辑
	vector<int> v(1000000000, 10);
	// ...

  如上只是实现了资源的管理，但是该类不能使用指针独有的操作，所以需要重载指针的一些操作符。

2.2 重大问题

  上述代码中没有提供拷贝构造函数，那么如果进行拷贝时，会调用编译器提供的默认拷贝构造函数。智能指针不能申请资源，只能替用户管理资源，因此不能使用深拷贝来代替浅拷贝

如何解决: C++标准库中提供了，最优解，下面会介绍到。

2.3 智能指针原理

所以智能指针的原理: RAII + operator*() / operator->() + 解决浅拷贝问题

RAII: 能够保证资源可以被自动释放
operator()/operator->()*: 可以保证对象能够按照指针的方式来运行
解决浅拷贝的方式：可能保证资源不被释放多次而引起代码崩溃的问题

3. C++98 auto_ptr(不要用)

RAII + operator*() / operator->() + 解决浅拷贝问题

3.1 解决浅拷贝的方式一

auto_ptr: 解决浅拷贝使用的是资源转移

当发生拷贝或赋值时，将被拷贝对象中的资源转移给新对象，然后让被拷贝对象与资源断开联系

但是同时只能有一个指针被使用，另外一个指针就没有指向了

// 解决浅拷贝方式：资源转移
// auto_ptr<int>  ap2(ap1)
auto_ptr(auto_ptr<T>& ap)
	: _ptr(ap._ptr)

	ap._ptr = nullptr;


// ap1 = ap2;
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& ap)

	if (this != &ap)
	
		// 此处需要将ap中的资源转移给this
		// 但是不能直接转移，因为this可能已经管理资源了，否则就会造成资源泄漏
		if (_ptr)
		
			delete _ptr;
		

		// ap就可以将其资源转移给this
		_ptr = ap._ptr;
		ap._ptr = nullptr;   // 让ap与之前管理的资源断开联系，因为ap中的资源已经转移给this了
	

	return *this;

3.2 解决浅拷贝的方式二

资源管理权限转移

如果发生了拷贝或者赋值，不断开原来指针与资源块的联系，而是将资源的释放权限交给新指针，但是会造成野指针问题，因为新指针一旦析构，就会释放资源，而老指针还指向那块空间

4. C++11 unique_ptr

RAII + operator*() / operator->() + 解决浅拷贝问题

浅拷贝解决方式: 资源独占

禁止拷贝，一份资源只能让一个对象管理，对象间不能共享资源。

使用场景: 只能应用于资源被一个对象管理，并且资源不会共享的场景中。

如何实现
  让编译器不生成默认的拷贝构造以及赋值运算符的重载。

C++11中: delete关键字，可以用其修饰默认的成员函数，表明编译器不会生成修饰的成员函数。
C++98中: 将拷贝构造函数以及赋值运算符重载只声明不定义，并且把访问权限设置为私有。

只声明不定义，没有将权限设置为private，仍然可以在类外进行定义。

4.1 管理的资源多样如何释放

  管理的资源可能是从堆上申请的空间，也可能是文件指针等等

  定制删除器: 此处的释放方式不能写死，应该按照资源的不同类型对应不同的释放方式。

定义只能指针类时，模板参数加上资源释放的方式，用户自定义资源释放的类，自己指定释放资源的方法。在初始化智能指针时，就该把资源的释放方式确定下来，在初始化模板参数时就传入释放资源的类。

4.2 模拟实现

// 负责释放new资源
template<class T>
class DFDef

public:
	void operator()(T*& ptr)
	
		if (ptr)
		
			delete ptr;
			ptr = nullptr;
		
	
;

// 负责：malloc的资源的释放
template<class T>
class Free

public:
	void operator()(T*& ptr)
	
		if (ptr)
		
			free(ptr);
			ptr = nullptr;
		
	
;

// 关闭文件指针
class FClose

public:
	void operator()(FILE* & ptr)
	
		if (ptr)
		
			fclose(ptr);
			ptr = nullptr;
		
	
;


namespace test

	// T: 资源中所放数据的类型
	// DF: 资源的释放方式
	// 定制删除器
	template<class T, class DF = DFDef<T>>
	class unique_ptr
	
	public:
		/
		// RAII
		unique_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
		

		~unique_ptr()
		
			if (_ptr)
			
				// 问题：_ptr管理的资源：可能是从堆上申请的内存空间、文件指针、malloc空间...
				// delete _ptr; // 注意：此处的释放资源的方式不能写死了，应该按照资源类型不同找对应的方式释放
				// malloc--->free
				// new---->delete
				// fopen--->fclose关闭
				DF df;
				df(_ptr);
			
		
		// C++11: 可以让编译器不生成默认的拷贝构造以及赋值运算符重载---delete
		// 在C++11当中，delete关键字的功能扩展：释放new申请的空间  用其修饰默认成员函数，表明：编译器不会生成了
		 unique_ptr(const unique_ptr<T,DF>&) = delete;  // 表明：编译器不会生成默认的拷贝构造函数
		 unique_ptr<T,DF>& operator=(const unique_ptr<T,DF>&) = delete;// 表明：编译器不会生成默认的赋值运算符重载

	private:
		unique_ptr(const unique_ptr<T,DF>&);
		unique_ptr<T,DF>& operator=(const unique_ptr<T,DF>&);

	private:
		T* _ptr;
	;

	// 用户在外部可以对方法进行定义---在unique_ptr的类中如果将该权限设置为private的
	//template<class T>
	//unique_ptr<T>::unique_ptr(const unique_ptr<T>& up)
	//

5. C++11 shared_ptr

多个对象之间可以共享资源

5.1 如何解决浅拷贝

  采用引用计数的方式解决浅拷贝

引用计数: 实际是一个整型的空间，记录着资源的对象的个数。释放资源时，判断有没有其它对象在使用资源，没有的话就释放掉资源。

5.2 实现原理

拷贝时:

新对象要与之前的对象共享所有资源，并且计数器进行++

释放时:

1.先检测资源是否还存在
2.存在的话，先对计数器–，检测计数器当前是否为0

• =0: 当前对象是最后使用该资源的对象，需要将资源以及计数器进行释放。
• !=0: 还有其他对象在使用资源，当前对象不需要释放，如果释放了就会造成其它对象变成野指针。

5.3 多线程使用时的问题

  上述操作在单线程下不会出现问题，但是在多线程中有多个执行流。
  多个线程共享一份资源，多个线程在结束时需要将其管理的资源释放掉，多个线程可能会同时释放同一份空间，计数器的操作不是原子性的，所以多个线程判断当前资源都还有人在使用，导致资源没有释放，而引起内存泄漏。

   智能指针对象中引用计数是多个智能指针对象共享的，两个线程中智能指针的引用计数同时++或–，这个操作不是原子的，引用计数原来是1，++了两次，可能还是2.这样引用计数就错乱了。会导致资源未释放或者程序崩溃的问题。所以只能指针中引用计数++、–是需要加锁的，也就是说引用计数的操作是线程安全的

解决方案

1.加锁，保证计数器的操作是安全的
2.把计数器改为原子操作

C++11中的share_ptr，自身是线程安全的，标准库中是按照原子类型变量实现的 atomic_int

5.4 缺陷- 循环引用

struct ListNode

	shared_ptr<ListNode> next;
	shared_ptr<ListNode> prev;
	//weak_ptr<ListNode> next;
	//weak_ptr<ListNode> prev;
	int data;

	ListNode(int x)
		//: data(x)
		: next(nullptr)
		, prev(nullptr)
		, data(x)
	
		cout << "ListNode(int):" << this << endl;
	

	~ListNode()
	
		cout << "~ListNode():" << this << endl;
	
;

void TestLoopRef()

	shared_ptr<ListNode> sp1(new ListNode(10));
	shared_ptr<ListNode> sp2(new ListNode(20));

	cout << sp1.use_count() << endl;    // 1
	cout << sp2.use_count() << endl;    // 1

	sp1->next = sp2;
	sp2->prev = sp1;

	cout << sp1.use_count() << endl;    // 2
	cout << sp2.use_count() << endl;    // 2

上述代码导致的后果就是内存泄漏，释放资源时没有调用析构函数。

什么是循环引用

函数中sp1 ，sp2之间互相引用，两个资源的引用计数为2，当要跳出函数时，智能指针sp1 ，sp2析构时两个资源引用计数会减一，但是两者引用计数还是为1，导致跳出函数时资源没有被释放（析构函数没有被调用），如果把其中一个改为weak_ptr就可以了，我们把类种里面的shared_ptr 指针; 改为weak_ptr 指针; 运行结果如下，这样的话，资源B的引用开始就只有1，当pb析构时，B的计数变为0，B得到释放，B释放的同时也会使A的计数减一，同时pa析构时使A的计数减一，那么A的计数为0，A得到释放

5.5 weak_ptr

weak_ptr的作用，配合shared_ptr解决循环引用问题。weak_ptr不能独立管理资源
不控制对象生命周期，指向一个shared_ptr管理的对象，只是提供了对管理对象的一个访问手段。weak_ptr设计的目的为了配合shared_ptr解决循环引用，导致无法释放内存空间的问题。weak_ptr的构造和析构不会造成引用计数的增加或者减少

原理

实际上shared_ptr维护了两块计数器，一份用来记录shared_ptr的使用次数，一份用来记录weakptr的使用次数。weak_ptr指向资源，shared_ptr的use计数器不懂，weak计数器+1

销毁时

当一个资源被shared_ptr类型的对象共享时，给use+1
当一个资源被weak_ptr类型的对象时，给weak+1
销毁时: 先给use-1，确认资源能够释放，再给weak-1，确认资源能释放

5.5 代码实现

#include <mutex>

namespace test

	// shared_ptr: 自身才是安全的---加锁：为了保证shared_ptr自身的安全性
	template<class T, class DF = DFDef<T>>
	class shared_ptr
	
	public:
		//
		// RAII
		shared_ptr(T* ptr = nullptr)
			: _ptr(ptr)
			, _pCount(nullptr)
			, _pMutex(new mutex)
		
			if (_ptr)
			
				// 此时只有当前刚刚创建好的1个对象在使用该份资源
				_pCount = new int(1);
			
		

		~shared_ptr()
		
			Release();
		

		/
		// 具有指针类似的行为
		T& operator*()
		
			return *_ptr;
		

		T* operator->()
		
			return _ptr;
		

		T* Get()
		
			return _ptr;
		

		//
		// 用户可能需要获取引用计数
		int use_count()const
		
			return *_pCount;
		

		///
		// 解决浅拷贝方式：采用引用计数
		shared_ptr(const shared_ptr<T>& sp)
			: _ptr(sp._ptr)
			, _pCount(sp._pCount)
			, _pMutex(sp._pMutex)
		
			AddRef();
		

		shared_ptr<T, DF>& operator=(const shared_ptr<T, DF>& sp)
		
			if (this != &sp)
			
				// 在和sp共享之前，this先要将之前的状态清空
				Release();

				// this就可以和sp共享资源以及计数了
				_ptr = sp._ptr;
				_pCount = sp._pCount;
				_pMutex = sp._pMutex;
				AddRef();
			

			return *this;
		

	private:
		void AddRef()
		
			if (nullptr == _ptr)
				return;

			_pMutex->lock();
			++(*_pCount);
			_pMutex->unlock();
		

		void Release()
		
			if (nullptr == _ptr)
				return;

			bool isDelete = false;
			_pMutex->lock();

			if (_ptr && 0 == --(*_pCount))
			
				// delete _ptr;
				DF df;
				df(_ptr);
				delete _pCount;
				_pCount = nullptr;
				isDelete = true;
			

			_pMutex->unlock();

			if (isDelete)
			
				delete _pMutex;
			
		
	private:
		T* _ptr;        // 用来接收资源的
		int* _pCount;   // 指向了引用计数的空间---记录的是使用资源的对象的个数
		mutex* _pMutex; // 目的：保证对引用计数的操作是安全的
	;