c++智能指针－－shared_ptr

众所周知，c语言与c++需要自行管理动态的内存。许多代码写到最后，防止内存泄漏需要花费程序员大量的心力。在c++11标准中，提出了智能指针来帮助程序员管理动态内存。智能指针主要有三种，分别是shared_ptr、unique_ptr与weak_ptr。本文主要讲的就是shared_ptr使用中的问题。

shared_ptr

首先需要说明的是，shared_ptr是一个模板类。为了让用户可以像使用内置指针一样使用它，这个类的设计者为它重载了解应用运算符*、成员访问运算符->、赋值运算符=还有向bool类型的显式类型转换等。

我们都知道，在使用new动态申请一块内存ａ后会返回一个指向这片内存的指针，对这个指针值进行拷贝赋值等操作，最后会出现很多个指针都指向ａ。但是通过指针释放ａ只能释放一次，如果释放了多次，就会出现错误。以前，大都是通过自己创建一种引用计数机制来管理这样的情况。

在c++11中，标准库提供了一种shared_ptr智能指针类型。一个动态分配的对象可以在多个shared_ptr之间共享，因此，shared_ptr支持拷贝操作。

shared_ptr<string> ptr1{ new string("hello") };
auto ptr2 = ptr1;	//拷贝构造，ptr1与ptr2指向同一块动态内存（一个string对象）

原理分析

shared_ptr内部包含两个指针，一个指向对象，另一个指向控制块(control block)，控制块中包含一个引用计数和其它一些数据。由于这个控制块需要在多个shared_ptr之间共享，所以它也是存在于heap中的。shared_ptr对象本身是线程安全的，也就是说shared_ptr的引用计数增加和减少的操作都是原子的。

[sh2](/assets/img/shared_ptr/sh2.png)

构造选择

在初始化ptr时一般有两种选择，分别是new与make_shared。

shared_ptr<std::string> ptr{ new string("hello") };
auto ptr = std::make_shared<std::string>("hello");

*** 推荐使用第二种。因为第一种方式创建shared_ptr时，需要执行两次new操作，一次在 heap 上为 string("hello") 分配内存，另一次在 heap 上为控制块分配内存。使用make_shared来创建shared_ptr会高效，因为make_shared仅使用new操作一次，它的做法是在 heap 上分配一块连续的内存用来容纳 string("hello") 和控制块。同样，当shared_ptr被析构时，也只需一次delete操作。

销毁操作

一般情况下不需要考虑所指对象的销毁问题，只在指向数组时，与unique_ptr不同，标准库并不提供shared_ptr<T[]>，因此，使用shared_ptr处理数组时需要显示指定删除行为，例如：

shared_ptr<string> ptr1( new string[10], 
                         []( string *p ) {
                             delete[] p;
                         });
shared_ptr<string> ptr2( new string[10],
                         std::default_delete<string[]>() );

*** > 此处需要说明的还有，一般智能指针管理的资源都是new分配的内存（即默认使用delete进行销毁操作），如果不是，比如说是其他方式申请的动态内存或者申请的不是动态内存等，请记住传递给它一个删除器来订制销毁操作。

使用shared_ptr的坑－－需要注意的问题１

用同一个内置指针初始化shared_ptr的操作只能出现一次。

int *p = new int{10};
shared_ptr<int> ptr1{ p };
shared_ptr<int> ptr2{ p };         // ERROR

很明显，每次通过内置指针来构造shared_ptr时候就会分配一个控制块，这时存在两个控制块，也就是说存在两个引用计数。这显然是错误的，因为当这两个shared_ptr被销毁时，对象将会被delete两次。

使用shared_ptr的坑－－需要注意的问题２

在对象之间出现循环引用时，会使得共享指针引用计数不会降到０，也就不能销毁。循环引用示意图如下：

[am](/assets/img/shared_ptr/am.png)

#include <iostream>
#include <memory>
using std::shared_ptr;
using std::make_shared;
// 一段内存泄露的代码
struct Son;
struct Father{
    shared_ptr<Son> son_;
};
struct Son{
    shared_ptr<Father> father_;
};
int main() 
{
    auto father = make_shared<Father>();
    auto son = make_shared<Son>();
    father->son_ = son;
    son->father_ = father;
    std::cout<<"one father's son:"<<father.use_count()<<std::endl;  
    std::cout<<"one son's father:"<<son.use_count()<<std::endl;  
    return 0;
}

---

编译运行结果为：

xhy@ubuntu:~/cpp_learn/share_ptr$ ./test 
one father's son:2
one son's father:2

函数结束前，堆上的两个对象的引用计数都是２，所以即便函数结束，将两个栈上的的共享指针分别析构，最后堆上的两个对象的引用数也不会为０，而是１，两个对象不会调用析构函数进行析构，从而内存泄漏。

参考资料

• [1] C++ Primer（第5版）
• [2] http://senlinzhan.github.io/2015/04/24/%E6%B7%B1%E5%85%A5shared-ptr/