RAII 與引用計數(shù)

了解 Objective-C/Swift 的程序員應(yīng)該知道引用計數(shù)的概念。引用計數(shù)這種計數(shù)是為了防止內(nèi)存泄露而產(chǎn)生的。

基本想法是對于動態(tài)分配的對象，進行引用計數(shù)，每當增加一次對同一個對象的引用，那么引用對象的引用計數(shù)就會增加一次，每刪除一次引用，引用計數(shù)就會減一，當一個對象的引用計數(shù)減為零時，就自動刪除指向的堆內(nèi)存。

在傳統(tǒng)C++中，『記得』手動釋放資源，總不是最佳實踐。因為我們很有可能就忘記了去釋放資源而導(dǎo)致泄露。所以通常的做法是對于一個對象而言，我們在構(gòu)造函數(shù)的時候申請空間，而在析構(gòu)函數(shù)（在離開作用域時調(diào)用）的時候釋放空間，也就是我們常說的 RAII 資源獲取即初始化技術(shù)。

凡事都有例外，我們總會有需要將對象在自由存儲上分配的需求，在傳統(tǒng) C++ 里我們只好使用 new 和 delete 去『記得』對資源進行釋放。而 C++11 引入了智能指針的概念，使用了引用計數(shù)的想法，讓程序員不再需要關(guān)心手動釋放內(nèi)存。

這些智能指針就包括 std::shared_ptr std::unique_ptr std::weak_ptr，使用它們需要包含頭文件<memory>。

注意：引用計數(shù)不是垃圾回收，引用計數(shù)能夠盡快收回不再被使用的對象，同時在回收的過程中也不會造成長時間的等待，更能夠清晰明確的表明資源的生命周期。

std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一種智能指針，它能夠記錄多少個 shared_ptr 共同指向一個對象，從而消除顯式的調(diào)用 delete，當引用計數(shù)變?yōu)榱愕臅r候就會將對象自動刪除。

但還不夠，因為使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 來調(diào)用，這使得代碼出現(xiàn)了某種程度上的不對稱。

std::make_shared 就能夠用來消除顯式的使用 new，所以 std::make_shared 會分配創(chuàng)建傳入?yún)?shù)中的對象，并返回這個對象類型的 std::shared_ptr 指針。例如：

#include <iostream>
#include <memory>
void foo(std::shared_ptr<int> i)
{
    (*i)++;
}
int main()
{
    // auto pointer = new int(10); // illegal, no direct assignment
    // Constructed a std::shared_ptr
    auto pointer = std::make_shared<int>(10);
    foo(pointer);
    std::cout << *pointer << std::endl; // 11
    // The shared_ptr will be destructed before leaving the scope
    return 0;
}

std::shared_ptr 可以通過 get() 方法來獲取原始指針，通過 reset() 來減少一個引用計數(shù)，并通過 use_count() 來查看一個對象的引用計數(shù)。例如：

auto pointer = std::make_shared<int>(10);
auto pointer2 = pointer; // 引用計數(shù)+1
auto pointer3 = pointer; // 引用計數(shù)+1
int *p = pointer.get(); // 這樣不會增加引用計數(shù)
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3

pointer2.reset();
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 reset
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2
pointer3.reset();
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset

std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一種獨占的智能指針，它禁止其他智能指針與其共享同一個對象，從而保證代碼的安全：

std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10); // make_unique 從 C++14 引入
std::unique_ptr<int> pointer2 = pointer; // 非法

make_unique 并不復(fù)雜，C++11 沒有提供 std::make_unique，可以自行實現(xiàn)：

template<typename T, typename ...Args>
std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) {
  return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) );
}

至于為什么沒有提供，C++ 標準委員會主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因為『被他們忘記了』。

既然是獨占，換句話說就是不可復(fù)制。但是，我們可以利用 std::move 將其轉(zhuǎn)移給其他的 unique_ptr，例如：

#include <iostream>
#include <memory>

struct Foo {
    Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; }
    ~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }
    void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; }
};

void f(const Foo &) {
    std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;
}

int main() {
    std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>());
    // p1 不空, 輸出
    if (p1) p1->foo();
    {
        std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));
        // p2 不空, 輸出
        f(*p2);
        // p2 不空, 輸出
        if(p2) p2->foo();
        // p1 為空, 無輸出
        if(p1) p1->foo();
        p1 = std::move(p2);
        // p2 為空, 無輸出
        if(p2) p2->foo();
        std::cout << "p2 被銷毀" << std::endl;
    }
    // p1 不空, 輸出
    if (p1) p1->foo();
    // Foo 的實例會在離開作用域時被銷毀
}

std::weak_ptr

如果你仔細思考 std::shared_ptr 就會發(fā)現(xiàn)依然存在著資源無法釋放的問題。看下面這個例子：

struct A;
struct B;

struct A {
    std::shared_ptr<B> pointer;
    ~A() {
        std::cout << "A 被銷毀" << std::endl;
    }
};
struct B {
    std::shared_ptr<A> pointer;
    ~B() {
        std::cout << "B 被銷毀" << std::endl;
    }
};
int main() {
    auto a = std::make_shared<A>();
    auto b = std::make_shared<B>();
    a->pointer = b;
    b->pointer = a;
}

運行結(jié)果是 A, B 都不會被銷毀，這是因為 a,b 內(nèi)部的 pointer 同時又引用了 a,b，這使得 a,b 的引用計數(shù)均變?yōu)榱?2，而離開作用域時，a,b 智能指針被析構(gòu)，卻只能造成這塊區(qū)域的引用計數(shù)減一。

這樣就導(dǎo)致了 a,b 對象指向的內(nèi)存區(qū)域引用計數(shù)不為零，而外部已經(jīng)沒有辦法找到這塊區(qū)域了，也就造成了內(nèi)存泄露，如圖 1：

圖 1

解決這個問題的辦法就是使用弱引用指針 std::weak_ptr，std::weak_ptr是一種弱引用（相比較而言 std::shared_ptr 就是一種強引用）。

弱引用不會引起引用計數(shù)增加，當換用弱引用時候，最終的釋放流程如圖 2 所示：

圖 2

在上圖中，最后一步只剩下 B，而 B 并沒有任何智能指針引用它，因此這塊內(nèi)存資源也會被釋放。

std::weak_ptr 沒有 * 運算符和 -> 運算符，所以不能夠?qū)Y源進行操作，它的唯一作用就是用于檢查 std::shared_ptr 是否存在，其 expired() 方法能在資源未被釋放時，會返回 false，否則返回 true。

總結(jié)

智能指針這種技術(shù)并不新奇，在很多語言中都是一種常見的技術(shù)，現(xiàn)代 C++ 將這項技術(shù)引進，在一定程度上消除了 new/delete 的濫用，是一種更加成熟的編程范式。

來源：https://changkun.de/modern-cpp/zh-cn/05-pointers/index.html

一文掌握 C++ 智能指針的使用

RAII 與引用計數(shù)

std::shared_ptr

std::unique_ptr

std::weak_ptr

總結(jié)