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08 | smart_ptr：智能指针到底“智能”在哪里？
你好，我是Chrono。
上节课在讲const的时候，说到const可以修饰指针，不过今天我要告诉你：请忘记这种用法，在现代C++中，绝对不要再使用“裸指针（naked pointer）”了，而是应该使用“智能指针（smart pointer）”。
你肯定或多或少听说过、用过智能指针，也可能看过实现源码，那么，你心里有没有一种疑惑，智能指针到底“智能”在哪里？难道它就是解决一切问题的“灵丹妙药”吗？
学完了今天的这节课，我想你就会有个明确的答案了。
什么是智能指针？
所谓的“智能指针”，当然是相对于“不智能指针”，也就是“裸指针”而言的。
所以，我们就先来看看裸指针，它有时候也被称为原始指针，或者直接简称为指针。
指针是源自C语言的概念，本质上是一个内存地址索引，代表了一小片内存区域（也可能会很大），能够直接读写内存。
因为它完全映射了计算机硬件，所以操作效率高，是C/C++高效的根源。当然，这也是引起无数麻烦的根源。访问无效数据、指针越界，或者内存分配后没有及时释放，就会导致运行错误、内存泄漏、资源丢失等一系列严重的问题。
其他的编程语言，比如Java、Go就没有这方面的顾虑，因为它们内置了一个“垃圾回收”机制，会检测不再使用的内存，自动释放资源，让程序员不必为此费心。
其实，C++里也是有垃圾回收的，不过不是Java、Go那种严格意义上的垃圾回收，而是广义上的垃圾回收，这就是构造/析构函数和RAII惯用法（Resource Acquisition Is Initialization）。
我们可以应用代理模式，把裸指针包装起来，在构造函数里初始化，在析构函数里释放。这样当对象失效销毁时，C++就会自动调用析构函数，完成内存释放、资源回收等清理工作。
和Java、Go相比，这算是一种“微型”的垃圾回收机制，而且回收的时机完全“自主可控”，非常灵活。当然也有一点代价——你必须要针对每一个资源手写包装代码，又累又麻烦。
智能指针就是代替你来干这些“脏活累活”的。它完全实践了RAII，包装了裸指针，而且因为重载了*和->操作符，用起来和原始指针一模一样。
不仅如此，它还综合考虑了很多现实的应用场景，能够自动适应各种复杂的情况，防止误用指针导致的隐患，非常“聪明”，所以被称为“智能指针”。
常用的有两种智能指针，分别是unique_ptr和shared_ptr，下面我就来分别介绍一下。
认识unique_ptr
unique_ptr是最简单、最容易使用的一个智能指针，在声明的时候必须用模板参数指定类型：
unique_ptr<int> ptr1(new int(10)); // int智能指针
assert(*ptr1 == 10); // 可以使用*取内容
assert(ptr1 != nullptr); // 可以判断是否为空指针
unique_ptr<string> ptr2(new string("hello")); // string智能指针
assert(*ptr2 == "hello"); // 可以使用*取内容
assert(ptr2->size() == 5); // 可以使用->调用成员函数
你需要注意的是，unique_ptr虽然名字叫指针，用起来也很像，但它实际上并不是指针，而是一个对象。所以，不要企图对它调用delete，它会自动管理初始化时的指针，在离开作用域时析构释放内存。
另外，它也没有定义加减运算，不能随意移动指针地址，这就完全避免了指针越界等危险操作，可以让代码更安全：
ptr1++; // 导致编译错误
ptr2 += 2; // 导致编译错误
除了调用delete、加减运算，初学智能指针还有一个容易犯的错误是把它当成普通对象来用，不初始化，而是声明后直接使用：
unique_ptr<int> ptr3; // 未初始化智能指针
*ptr3 = 42 ; // 错误！操作了空指针
未初始化的unique_ptr表示空指针，这样就相当于直接操作了空指针，运行时就会产生致命的错误（比如core dump）。
为了避免这种低级错误，你可以调用工厂函数make_unique()，强制创建智能指针的时候必须初始化。同时还可以利用自动类型推导（第6讲）的auto，少写一些代码：
auto ptr3 = make_unique<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr3 && *ptr3 == 42);
auto ptr4 = make_unique<string>("god of war"); // 工厂函数创建智能指针
assert(!ptr4->empty());
不过，make_unique()要求C++14，好在它的原理比较简单。如果你使用的是C++11，也可以自己实现一个简化版的make_unique()，可以参考下面的代码：
template<class T, class... Args> // 可变参数模板
std::unique_ptr<T> // 返回智能指针
my_make_unique(Args&&... args) // 可变参数模板的入口参数
{
return std::unique_ptr<T>( // 构造智能指针
new T(std::forward<Args>(args)...)); // 完美转发
}
unique_ptr的所有权
使用unique_ptr的时候还要特别注意指针的“所有权”问题。
正如它的名字，表示指针的所有权是“唯一”的，不允许共享，任何时候只能有一个“人”持有它。
为了实现这个目的，unique_ptr应用了C++的“转移”（move）语义，同时禁止了拷贝赋值，所以，在向另一个unique_ptr赋值的时候，要特别留意，必须用**std::move()**函数显式地声明所有权转移。
赋值操作之后，指针的所有权就被转走了，原来的unique_ptr变成了空指针，新的unique_ptr接替了管理权，保证所有权的唯一性：
auto ptr1 = make_unique<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr1 && *ptr1 == 42); // 此时智能指针有效
auto ptr2 = std::move(ptr1); // 使用move()转移所有权
assert(!ptr1 && ptr2); // ptr1变成了空指针
如果你对右值、转移这些概念不是太理解，也没关系，它们用起来也的确比较“微妙”，这里你只要记住，尽量不要对unique_ptr执行赋值操作就好了，让它“自生自灭”，完全自动化管理。
认识shared_ptr
接下来要说的是shared_ptr，它是一个比unique_ptr更“智能”的智能指针。
初看上去shared_ptr和unique_ptr差不多，也可以使用工厂函数来创建，也重载了*和->操作符，用法几乎一样——只是名字不同，看看下面的代码吧：
shared_ptr<int> ptr1(new int(10)); // int智能指针
assert(*ptr1 == 10); // 可以使用*取内容
shared_ptr<string> ptr2(new string("hello")); // string智能指针
assert(*ptr2 == "hello"); // 可以使用*取内容
auto ptr3 = make_shared<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr3 && *ptr3 == 42); // 可以判断是否为空指针
auto ptr4 = make_shared<string>("zelda"); // 工厂函数创建智能指针
assert(!ptr4->empty()); // 可以使用->调用成员函数
但shared_ptr的名字明显表示了它与unique_ptr的最大不同点：它的所有权是可以被安全共享的，也就是说支持拷贝赋值，允许被多个“人”同时持有，就像原始指针一样。
auto ptr1 = make_shared<int>(42); // 工厂函数创建智能指针
assert(ptr1 && ptr1.unique() ); // 此时智能指针有效且唯一
auto ptr2 = ptr1; // 直接拷贝赋值，不需要使用move()
assert(ptr1 && ptr2); // 此时两个智能指针均有效
assert(ptr1 == ptr2); // shared_ptr可以直接比较
// 两个智能指针均不唯一，且引用计数为2
assert(!ptr1.unique() && ptr1.use_count() == 2);
assert(!ptr2.unique() && ptr2.use_count() == 2);
shared_ptr支持安全共享的秘密在于内部使用了“引用计数”。
引用计数最开始的时候是1，表示只有一个持有者。如果发生拷贝赋值——也就是共享的时候，引用计数就增加，而发生析构销毁的时候，引用计数就减少。只有当引用计数减少到0，也就是说，没有任何人使用这个指针的时候，它才会真正调用delete释放内存。
因为shared_ptr具有完整的“值语义”（即可以拷贝赋值），所以，它可以在任何场合替代原始指针，而不用再担心资源回收的问题，比如用于容器存储指针、用于函数安全返回动态创建的对象，等等。
shared_ptr的注意事项
那么，既然shared_ptr这么好，是不是就可以只用它而不再考虑unique_ptr了呢？
答案当然是否定的，不然也就没有必要设计出来多种不同的智能指针了。
虽然shared_ptr非常“智能”，但天下没有免费的午餐，它也是有代价的，引用计数的存储和管理都是成本，这方面是shared_ptr不如unique_ptr的地方。
如果不考虑应用场合，过度使用shared_ptr就会降低运行效率。不过，你也不需要太担心，shared_ptr内部有很好的优化，在非极端情况下，它的开销都很小。
另外一个要注意的地方是shared_ptr的销毁动作。
因为我们把指针交给了shared_ptr去自动管理，但在运行阶段，引用计数的变动是很复杂的，很难知道它真正释放资源的时机，无法像Java、Go那样明确掌控、调整垃圾回收机制。
你要特别小心对象的析构函数，不要有非常复杂、严重阻塞的操作。一旦shared_ptr在某个不确定时间点析构释放资源，就会阻塞整个进程或者线程，“整个世界都会静止不动”（也许用过Go的同学会深有体会）。这也是我以前遇到的实际案例，排查起来费了很多功夫，真的是“血泪教训”。
class DemoShared final // 危险的类，不定时的地雷
{
public:
DemoShared() = default;
~DemoShared() // 复杂的操作会导致shared_ptr析构时世界静止
{
// Stop The World ...
}
};
shared_ptr的引用计数也导致了一个新的问题，就是“循环引用”，这在把shared_ptr作为类成员的时候最容易出现，典型的例子就是链表节点。
下面的代码演示了一个简化的场景：
class Node final
{
public:
using this_type = Node;
using shared_type = std::shared_ptr<this_type>;
public:
shared_type next; // 使用智能指针来指向下一个节点
};
auto n1 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针
auto n2 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针
assert(n1.use_count() == 1); // 引用计数为1
assert(n2.use_count() == 1);
n1->next = n2; // 两个节点互指，形成了循环引用
n2->next = n1;
assert(n1.use_count() == 2); // 引用计数为2
assert(n2.use_count() == 2); // 无法减到0，无法销毁，导致内存泄漏
在这里，两个节点指针刚创建时，引用计数是1，但指针互指（即拷贝赋值）之后，引用计数都变成了2。
这个时候，shared_ptr就“犯傻”了，意识不到这是一个循环引用，多算了一次计数，后果就是引用计数无法减到0，无法调用析构函数执行delete，最终导致内存泄漏。
这个例子很简单，你一下子就能看出存在循环引用。但在实际开发中，指针的关系可不像例子那么清晰，很有可能会不知不觉形成一个链条很长的循环引用，复杂到你根本无法识别，想要找出来基本上是不可能的。
想要从根本上杜绝循环引用，光靠shared_ptr是不行了，必须要用到它的“小帮手”：weak_ptr。
weak_ptr顾名思义，功能很“弱”。它专门为打破循环引用而设计，只观察指针，不会增加引用计数（弱引用），但在需要的时候，可以调用成员函数lock()，获取shared_ptr（强引用）。
刚才的例子里，只要你改用weak_ptr，循环引用的烦恼就会烟消云散：
class Node final
{
public:
using this_type = Node;
// 注意这里，别名改用weak_ptr
using shared_type = std::weak_ptr<this_type>;
public:
shared_type next; // 因为用了别名，所以代码不需要改动
};
auto n1 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针
auto n2 = make_shared<Node>(); // 工厂函数创建智能指针
n1->next = n2; // 两个节点互指，形成了循环引用
n2->next = n1;
assert(n1.use_count() == 1); // 因为使用了weak_ptr，引用计数为1
assert(n2.use_count() == 1); // 打破循环引用，不会导致内存泄漏
if (!n1->next.expired()) { // 检查指针是否有效
auto ptr = n1->next.lock(); // lock()获取shared_ptr
assert(ptr == n2);
}
小结
好了，今天就先到这里。智能指针的话题很大，但是学习的时候我们不可能一下子把所有知识点都穷尽，而是要有优先级。所以我会捡最要紧的先介绍给你，剩下的接口函数等细节，还是需要你根据自己的情况，再去参考一些其他资料深入学习的。
我们来回顾一下这节课的重点。
- 智能指针是代理模式的具体应用，它使用RAII技术代理了裸指针，能够自动释放内存，无需程序员干预，所以被称为“智能指针”。
- 如果指针是“独占”使用，就应该选择unique_ptr，它为裸指针添加了很多限制，更加安全。
- 如果指针是“共享”使用，就应该选择shared_ptr，它的功能非常完善，用法几乎与原始指针一样。
- 应当使用工厂函数make_unique()、make_shared()来创建智能指针，强制初始化，而且还能使用auto来简化声明。
- shared_ptr有少量的管理成本，也会引发一些难以排查的错误，所以不要过度使用。
我还有一个很重要的建议：
既然你已经理解了智能指针，就尽量不要再使用裸指针、new和delete来操作内存了。
如果严格遵守这条建议，用好unique_ptr、shared_ptr，那么，你的程序就不可能出现内存泄漏，你也就不需要去费心研究、使用valgrind等内存调试工具了，生活也会更“美好”一点。
课下作业
最后是课下作业时间，给你留两个思考题：
- 你觉得unique_ptr和shared_ptr的区别有哪些？列举一下。
- 你觉得应该如何在程序里“消灭”new和delete？
欢迎你在留言区写下你的思考和答案，如果觉得今天的内容对你有所帮助，也欢迎分享给你的朋友，我们下节课见。
