C++ 智能指针 shared_ptr 详解与示例

shared_ptr 是C++11提供的一种智能指针类，它足够智能，可以在任何地方都不使用时自动删除相关指针，从而帮助彻底消除内存泄漏和悬空指针的问题。
它遵循共享所有权的概念，即不同的 shared_ptr 对象可以与相同的指针相关联，并在内部使用引用计数机制来实现这一点。
每个 shared_ptr 对象在内部指向两个内存位置：
1、指向对象的指针。
2、用于控制引用计数数据的指针。
共享所有权如何在参考计数的帮助下工作：
1、当新的 shared_ptr 对象与指针关联时，则在其构造函数中，将与此指针关联的引用计数增加1。
2、当任何 shared_ptr 对象超出作用域时，则在其析构函数中，它将关联指针的引用计数减1。如果引用计数变为0，则表示没有其他 shared_ptr 对象与此内存关联，在这种情况下，它使用delete函数删除该内存。

创建 shared_ptr 对象

使用原始指针创建 shared_ptr 对象

std::shared_ptr<int> p1(new int());

上面这行代码在堆上创建了两块内存：1：存储int。2：用于引用计数的内存，管理附加此内存的 shared_ptr 对象的计数，最初计数将为1。
检查 shared_ptr 对象的引用计数

p1.use_count();

创建空的 shared_ptr 对象

因为带有参数的 shared_ptr 构造函数是 explicit 类型的，所以不能像这样std::shared_ptr<int> p1 = new int();隐式调用它构造函数。创建新的shared_ptr对象的最佳方法是使用std :: make_shared：

std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>();

std::make_shared 一次性为int对象和用于引用计数的数据都分配了内存，而new操作符只是为int分配了内存。

分离关联的原始指针

要使 shared_ptr 对象取消与相关指针的关联，可以使用reset()函数：
不带参数的reset()：

p1.reset();

它将引用计数减少1，如果引用计数变为0，则删除指针。
带参数的reset()：

p1.reset(new int(34));

在这种情况下，它将在内部指向新指针，因此其引用计数将再次变为1。
使用nullptr重置：

p1 = nullptr; 

shared_ptr是一个伪指针

shared_ptr充当普通指针，我们可以将*和->与 shared_ptr 对象一起使用，也可以像其他 shared_ptr 对象一样进行比较;

完整示例

#include <iostream>
#include <memory> // 需要包含这个头文件

int main()
{ 
   
	// 使用 make_shared 创建空对象
	std::shared_ptr<int> p1 = std::make_shared<int>();
	*p1 = 78;
	std::cout << "p1 = " << *p1 << std::endl; // 输出78

	// 打印引用个数：1
	std::cout << "p1 Reference count = " << p1.use_count() << std::endl;

	// 第2个 shared_ptr 对象指向同一个指针
	std::shared_ptr<int> p2(p1);

	// 下面两个输出都是：2
	std::cout << "p2 Reference count = " << p2.use_count() << std::endl;
	std::cout << "p1 Reference count = " << p1.use_count() << std::endl;

	// 比较智能指针，p1 等于 p2
	if (p1 == p2) { 
   
		std::cout << "p1 and p2 are pointing to same pointer\n";
	}

	std::cout<<"Reset p1 "<<std::endl;

	// 无参数调用reset，无关联指针，引用个数为0
	p1.reset();
	std::cout << "p1 Reference Count = " << p1.use_count() << std::endl;
	
	// 带参数调用reset，引用个数为1
	p1.reset(new int(11));
	std::cout << "p1 Reference Count = " << p1.use_count() << std::endl;

	// 把对象重置为NULL，引用计数为0
	p1 = nullptr;
	std::cout << "p1 Reference Count = " << p1.use_count() << std::endl;
	if (!p1) { 
   
		std::cout << "p1 is NULL" << std::endl; // 输出
	}
	return 0;
}

自定义删除器 Deleter

下面将讨论如何将自定义删除器与 std :: shared_ptr 一起使用。
当 shared_ptr 对象超出范围时，将调用其析构函数。在其析构函数中，它将引用计数减1，如果引用计数的新值为0，则删除关联的原始指针。
析构函数中删除内部原始指针，默认调用的是delete()函数。

delete Pointer;

有些时候在析构函数中，delete函数并不能满足我们的需求，可能还想加其他的处理。

当 shared_ptr 对象指向数组

// 需要添加自定义删除器的使用方式
std::shared_ptr<int> p3(new int[12]);   // 仅用于演示自定义删除器

// 指向数组的智能指针可以使用这种形式
std::shared_ptr<int[]> p3(new int[12]);  // 正确使用方式

像这样申请的数组，应该调用delete []释放内存，而shared_ptr<int>析构函数中默认delete并不能满足需，可以使用shared_ptr<int[]>形式或者添加自定义删除器。

给shared_ptr添加自定义删除器

在上面在这种情况下，我们可以将回调函数传递给 shared_ptr 的构造函数，该构造函数将从其析构函数中调用以进行删除，即

// 自定义删除器
void deleter(Sample * x)
{ 
   
	std::cout << "DELETER FUNCTION CALLED\n";
	delete[] x;
}
// 构造函数传递自定义删除器指针
std::shared_ptr<Sample> p3(new Sample[12], deleter);

下面看一个完整的示例：

#include <iostream>
#include <memory>

struct Sample
{ 
   
    Sample() { 
   
        std::cout << "Sample\n";
    }
    ~Sample() { 
   
        std::cout << "~Sample\n";
    }
};

void deleter(Sample * x)
{ 
   
    std::cout << "Custom Deleter\n";
    delete[] x;
}

int main()
{ 
   
    std::shared_ptr<Sample> p3(new Sample[3], deleter);
    return 0;
}

输出：

Sample
Sample
Sample
Custom Deleter
~Sample
~Sample
~Sample

使用Lambda 表达式 / 函数对象作为删除器

class Deleter
{ 
   
	public:
	void operator() (Sample * x) { 
   
		std::cout<<"DELETER FUNCTION CALLED\n";
		delete[] x;
	}
};

// 函数对象作为删除器
std::shared_ptr<Sample> p3(new Sample[3], Deleter());

// Lambda表达式作为删除器
std::shared_ptr<Sample> p4(new Sample[3], [](Sample * x){ 
   
	std::cout<<"DELETER FUNCTION CALLED\n";
		delete[] x;
});

shared_ptr 相对于普通指针的优缺点

缺少 ++, – – 和 [] 运算符

与普通指针相比，shared_ptr仅提供-> 、*和==运算符，没有+、-、++、--、[]等运算符。
示例：

#include<iostream>
#include<memory>

struct Sample { 
   
	void dummyFunction() { 
   
		std::cout << "dummyFunction" << std::endl;
	}
};

int main()
{ 
   

	std::shared_ptr<Sample> ptr = std::make_shared<Sample>();

	(*ptr).dummyFunction(); // 正常
	ptr->dummyFunction(); // 正常

	// ptr[0]->dummyFunction(); // 错误方式
	// ptr++; // 错误方式
	//ptr--; // 错误方式

	std::shared_ptr<Sample> ptr2(ptr);
	if (ptr == ptr2) // 正常
		std::cout << "ptr and ptr2 are equal" << std::endl;
	return 0;
}

NULL检测

当我们创建 shared_ptr 对象而不分配任何值时，它就是空的；普通指针不分配空间的时候相当于一个野指针，指向垃圾空间，且无法判断指向的是否是有用数据。
shared_ptr 检测空值方法

std::shared_ptr<Sample> ptr3;
if(!ptr3)
	std::cout<<"Yes, ptr3 is empty" << std::endl;
if(ptr3 == NULL)
	std::cout<<"ptr3 is empty" << std::endl;
if(ptr3 == nullptr)
	std::cout<<"ptr3 is empty" << std::endl;

创建 shared_ptr 时注意事项

不要使用同一个原始指针构造 shared_ptr

创建多个 shared_ptr 的正常方法是使用一个已存在的shared_ptr 进行创建，而不是使用同一个原始指针进行创建。
示例：

    int *num = new int(23);
    std::shared_ptr<int> p1(num);
    
    std::shared_ptr<int> p2(p1);  // 正确使用方法
    std::shared_ptr<int> p3(num); // 不推荐

    std::cout << "p1 Reference = " << p1.use_count() << std::endl; // 输出 2
    std::cout << "p2 Reference = " << p2.use_count() << std::endl; // 输出 2
    std::cout << "p3 Reference = " << p3.use_count() << std::endl; // 输出 1

假如使用原始指针num创建了p1，又同样方法创建了p3，当p1超出作用域时会调用delete释放num内存，此时num成了悬空指针，当p3超出作用域再次delete的时候就可能会出错。

不要用栈中的指针构造 shared_ptr 对象

shared_ptr 默认的构造函数中使用的是delete来删除关联的指针，所以构造的时候也必须使用new出来的堆空间的指针。
示例：

#include<iostream>
#include<memory>

int main()
{ 
   
   int x = 12;
   std::shared_ptr<int> ptr(&x);
   return 0;
}

当 shared_ptr 对象超出作用域调用析构函数delete 指针&x时会出错。

建议使用 make_shared

为了避免以上两种情形，建议使用make_shared()<>创建 shared_ptr 对象，而不是使用默认构造函数创建。

std::shared_ptr<int> ptr_1 = make_shared<int>();
std::shared_ptr<int> ptr_2 (ptr_1);

另外不建议使用get()函数获取 shared_ptr 关联的原始指针，因为如果在 shared_ptr 析构之前手动调用了delete函数，同样会导致类似的错误。