大家好，我是小牛，今天跟聊一下 BAT 面試 C++ 開發(fā)工程師必問的一個(gè)考點(diǎn)：智能指針。

小艾：你昨晚面 C++ 去了？

小牛：對(duì)啊，不是這個(gè)廠主要技術(shù)棧都是 C++ 嘛，我就面去了。

小艾：?jiǎn)柫它c(diǎn)啥??？

小牛：BAT 這 C++ 問的都差不多，又問智能指針了。

小艾：那來講講唄。

小牛：來。

智能指針的引入

大家都知道，指針是 C++ 中非常重要的一部分，大家在初期學(xué)習(xí) C++ 的時(shí)候一定學(xué)過類似這樣的指針方式。

int??*ptr;

這種指針也被稱為裸指針。但是使用裸指針會(huì)存在一些不足：

1. 如果使用裸指針分配內(nèi)存后，忘記手動(dòng)釋放資源，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。

2. 如果使用多個(gè)裸指針指向同一資源，其中一個(gè)指針對(duì)資源進(jìn)行釋放，其它指針成為空懸指針，如果再次釋放會(huì)存在不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤。上圖中當(dāng) sp1 把資源釋放后，sp2 成了空懸指針。空懸指針指的是指針?biāo)赶虻膶?duì)象已經(jīng)釋放的時(shí)候自身卻沒有被置為 nullptr。sp1 通過 free/delete 釋放資源的內(nèi)存時(shí)，內(nèi)存不會(huì)立刻被系統(tǒng)回收，而是狀態(tài)改變?yōu)榭杀黄渌胤缴暾?qǐng)的狀態(tài)。這時(shí)當(dāng)再次操作 sp2，這塊內(nèi)存可能被其它地方申請(qǐng)了，而具體被誰申請(qǐng)了是不確定的，因此可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤也是不可預(yù)測(cè)的。

3. 如果程序異常退出時(shí)，裸指針的釋放資源的代碼未能執(zhí)行，也會(huì)造成內(nèi)存泄漏。

為了改善裸指針的不足，確保資源的分配和釋放是配對(duì)的，開發(fā)者提出了智能指針。智能指針主要是對(duì)裸指針進(jìn)行了一次面向?qū)ο蟮姆庋b，在構(gòu)造函數(shù)中初始化資源地址，在析構(gòu)函數(shù)中釋放資源。 當(dāng)資源應(yīng)該被釋放時(shí)，指向它的智能指針可以確保自動(dòng)地釋放它。

C++ 庫中，為智能指針提供了不帶引用計(jì)數(shù)和帶引用計(jì)數(shù)的兩種方案。

引用計(jì)數(shù)用于表示有多少智能指針引用同一資源。不帶引用計(jì)數(shù)的智能指針采用獨(dú)占資源的方式，而帶引用計(jì)數(shù)的智能指針則可以同時(shí)多個(gè)指向同一資源。下面介紹一下它們的主要特點(diǎn)和區(qū)別。

不帶引用計(jì)數(shù)的智能指針

不帶引用計(jì)數(shù)的智能指針包括 auto_ptr、scoped_ptr 和 unique_ptr 三種指針。

1. auto_ptr:

我們先來看個(gè)例子：

#include
int?main()
{
?auto_ptr<int>??ptr(new?int(6));//定義auto_ptr指針ptr
?auto_ptr<int>??ptr1(ptr);??//拷貝構(gòu)造ptr定義ptr1
?*ptr=8;//對(duì)空指針ptr賦值會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的錯(cuò)誤
?return?0;
}

開始時(shí) ptr 指向資源，一個(gè)整型數(shù)字6，當(dāng)用 ptr1 拷貝構(gòu)造 ptr 時(shí)，ptr1 指向資源，而 ptr 則指向 nullptr。下一行程序中如果對(duì)空指針 ptr 賦值 8，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的錯(cuò)誤。

下圖表示 auto_ptr 指針對(duì)資源的指向過程。

使用拷貝構(gòu)造時(shí)，如果只有最后一個(gè) auto_ptr 持有資源，其余 auto_ptr 持有的資源會(huì)被置為 nullptr。

因此需要注意，不能在容器中使用 auto_ptr，當(dāng)容器發(fā)生拷貝時(shí)，原容器中 auto_ptr 持有的資源會(huì)置 nullptr。

下面我們?cè)賮砜匆幌?auto_ptr 的部分源碼和部分解析：

template<class?_Ty>
class?auto_ptr
{?
public:
?typedef?_Ty?element_type;

?explicit?auto_ptr(_Ty?*?_Ptr=nullptr)?noexcept
?????:?_Myptr(_Ptr)//初始化列表
?????{?//構(gòu)造函數(shù)
?????}

?auto_ptr(auto_ptr&?_Right)?noexcept
??:?_Myptr(_Right.release())
??{?//拷貝構(gòu)造函數(shù)，會(huì)調(diào)用release()函數(shù)
??}
??
?_Ty?*?release()?noexcept
??{
????????????/*使用拷貝構(gòu)造時(shí)，最后一個(gè)auto_ptr持有資源，
???其余被置為nullptr*/?
??_Ty?*?_Tmp?=?_Myptr;
??_Myptr?=?nullptr;
??return?(_Tmp);
??}
private:
?_Ty?*?_Myptr;//指向資源?
};

當(dāng)試圖調(diào)用 auto_ptr 的拷貝構(gòu)造函數(shù)時(shí)，在初始化列表中調(diào)用了 release() 函數(shù)，release() 函數(shù)用一個(gè) _Tmp 指針保存資源并返回用于初始化當(dāng)前的 auto_ptr 的類成員 _Myptr，而 _Right 對(duì)應(yīng)的 _Myptr 被置為 nullptr。

2. scoped_ptr

scoped_ptr 和 auto_ptr 有些不同，它私有化了拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值函數(shù)，資源的所有權(quán)無法進(jìn)行轉(zhuǎn)移，也無法在容器中使用。

下面使用一段代碼表現(xiàn) scoped_ptr 的特性，如果不規(guī)范使用會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。

正確用法：

scoped_ptr<int>?sp1(new?int(6));//初始化sp1指針

錯(cuò)誤用法：

scoped_ptr<int>?sp2(sp1);//錯(cuò)誤，無法拷貝構(gòu)造

這種方法是錯(cuò)誤的，因?yàn)閟coped_ptr私有化了拷貝構(gòu)造函數(shù)，無法顯式調(diào)用。

?scoped_ptr<int>?sp3(new?int(5))//初始化sp2指針
?sp1=sp3;//錯(cuò)誤，無法賦值

這種方法是錯(cuò)誤的，因?yàn)閟coped_ptr私有化了賦值構(gòu)造函數(shù)，無法顯式調(diào)用。

有時(shí)候面試官會(huì)問到，scoped_ptr 是如何保證資源的所有權(quán)的？

這時(shí)候就可以按照上面的講解來回答：

scoped_ptr 私有化了拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值函數(shù)，資源的所有權(quán)無法進(jìn)行轉(zhuǎn)移，所以保證了資源的所有權(quán)。

然后再來看一下 scoped_ptr 的部分源碼和部分解析：

template<class?T>?
class?scoped_ptr
{
private:
????T?*?px;?
????scoped_ptr(scoped_ptr?const?&);//拷貝構(gòu)造函數(shù)
????scoped_ptr?&?operator=(scoped_ptr?const?&);//賦值構(gòu)造函數(shù)
?
public:
????typedef?T?element_type;
????explicit?scoped_ptr(?T?*?p?=?nullptr?):?px(?p?)
????{
????}
????~scoped_ptr()?//析構(gòu)函數(shù)
};

scoped_ptr 通過私有化拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值構(gòu)造函數(shù)來拒絕淺拷貝的發(fā)生。

值得注意的是，auto_ptr 是通過將除最后一個(gè)以外的其它 auto_ptr 置 nullptr 來避免淺拷貝的發(fā)生，它的資源所有權(quán)是可以轉(zhuǎn)移的。

而 scoped_ptr 是直接禁止了拷貝與賦值，資源所有權(quán)無法轉(zhuǎn)移。

3. unique_ptr

unique_ptr 刪除了拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值函數(shù)，因此不支持普通的拷貝或賦值操作。如下所示：

unique_ptr<int>?p1(new?int(6));//正確寫法
unique_ptr<int>?p2(p1);?//這么寫是錯(cuò)誤的：
//?unique_ptr不支持拷貝
unique_ptr<int>?p3;
p3=p2;//這么寫是錯(cuò)誤的：unique_ptr不支持賦值

再來看一下 unique_ptr 的部分源碼和部分解析：

template<class?_Ty,class?_Dx>
class?unique_ptr:?public?_Unique_ptr_base<_Ty,?_Dx>
{?
public:
?typedef?_Unique_ptr_base<_Ty,?_Dx>?_Mybase;
?typedef?typename?_Mybase::pointer?pointer;
?typedef?_Ty?element_type;
?typedef?_Dx?deleter_type;

?unique_ptr(unique_ptr&&?_Right)?noexcept
??:?_Mybase(_Right.release(),
???_STD?forward<_Dx>(_Right.get_deleter()))
??{?//?右值引用的拷貝構(gòu)造函數(shù)
??}

?unique_ptr&?operator=(unique_ptr&&?_Right)?noexcept
??{?//提供了右值引用的operator=賦值構(gòu)造函數(shù)
??if?(this?!=?_STD?addressof(_Right))
???{?
???reset(_Right.release());
???this->get_deleter()?=?_STD?forward<_Dx>
???(_Right.get_deleter());
???}
??return?(*this);
??}
?/*
?刪除了unique_ptr的拷貝構(gòu)造和賦值函數(shù)，拒絕淺拷貝
?*/
?unique_ptr(const?unique_ptr&)?=?delete;
?unique_ptr&?operator=(const?unique_ptr&)?=?delete;
?};

unique_ptr和scoped_ptr一樣禁止了拷貝構(gòu)造和賦值構(gòu)造，引入了帶右值引用的拷貝構(gòu)造和賦值?？梢园?unique_ptr 作為函數(shù)的返回值。

不帶引用計(jì)數(shù)的智能指針總結(jié)：

相同點(diǎn)：最終只有一個(gè)智能指針持有資源。

不同點(diǎn)：

1. auto_ptr 進(jìn)行拷貝構(gòu)造時(shí)，會(huì)對(duì)之前的auto_ptr的資源置nullptr操作；
2. scoped_ptr 通過私有化了拷貝構(gòu)造和賦值函數(shù)杜絕淺拷貝；
3. unique_ptr 通過刪除了拷貝構(gòu)造和賦值函數(shù)函數(shù)杜絕淺拷貝，但引入了帶右值引用的拷貝構(gòu)造和賦值函數(shù)。

帶引用計(jì)數(shù)的智能指針

當(dāng)需要多個(gè)智能指針指向同一個(gè)資源時(shí)，使用帶引用計(jì)數(shù)的智能指針。

每增加一個(gè)智能指針指向同一資源，資源引用計(jì)數(shù)加一，反之減一。當(dāng)引用計(jì)數(shù)為零時(shí)，由最后一個(gè)指向資源的智能指針將資源進(jìn)行釋放。

下圖表示帶引用計(jì)數(shù)智能指針的工作過程。sp1 對(duì)象和 sp2 對(duì)象通過指針指向同一資源，引用計(jì)數(shù)器記錄了引用資源的對(duì)象個(gè)數(shù)。

當(dāng) sp1 對(duì)象發(fā)生析構(gòu)時(shí)，引用計(jì)數(shù)器的值減 1，由于引用計(jì)數(shù)不等于 0，資源并未釋放，如下圖所示：

當(dāng) sp2 對(duì)象也發(fā)生析構(gòu)，引用計(jì)數(shù)減為 0，資源釋放，如下圖所示：

即引用計(jì)數(shù)可以保證多個(gè)智能指針指向資源時(shí)資源在所有智能對(duì)其取消引用再釋放，避免過早釋放產(chǎn)生空懸指針。帶引用計(jì)數(shù)的智能指針包括 shared_ptr 和 weak_ptr。

1. shared_ptr

shared_ptr 一般稱為強(qiáng)智能指針，一個(gè) shared_ptr 對(duì)資源進(jìn)行引用時(shí)，資源的引用計(jì)數(shù)會(huì)增加一，通常用于管理對(duì)象的生命周期。只要有一個(gè)指向?qū)ο蟮?shared_ptr 存在，該對(duì)象就不會(huì)析構(gòu)。

上圖中引用計(jì)數(shù)的工作過程就使用了 shared_ptr。

2. weak_ptr

weak_ptr 一般被稱為弱智能指針，其對(duì)資源的引用不會(huì)引起資源的引用計(jì)數(shù)的變化，通常作為觀察者，用于判斷資源是否存在，并根據(jù)不同情況做出相應(yīng)的操作。

比如使用 weak_ptr 對(duì)資源進(jìn)行弱引用，當(dāng)調(diào)用 weak_ptr 的 lock() 方法時(shí)，若返回 nullptr，則說明資源已經(jīng)不存在，放棄對(duì)資源繼續(xù)操作。否則，將返回一個(gè) shared_ptr 對(duì)象，可以繼續(xù)操作資源。

另外，一旦最后一個(gè)指向?qū)ο蟮?shared_ptr 被銷毀，對(duì)象就會(huì)被釋放。即使有 weak_ptr 指向?qū)ο?，?duì)象也還是會(huì)被釋放。

小艾問：既然它這引用都不算數(shù)，那它有什么用呢？

小牛答：別急，我們來慢慢講。

enable_shared_from_this 機(jī)制

小牛：考慮下面這樣一個(gè)場(chǎng)景：

在多線程環(huán)境中，假設(shè)有一個(gè)對(duì)象池類 ObjectPool 和一個(gè)對(duì)象類 Object。ObjectPool 類主要實(shí)現(xiàn)通過不同的 key 返回對(duì)應(yīng) Object 對(duì)象。

要求同一程序中由 Object 類實(shí)例出的不同對(duì)象只有一個(gè)，即當(dāng)多處用到同一個(gè)對(duì)象，Object 對(duì)象應(yīng)該被共享。同時(shí)當(dāng)對(duì)象不再需要時(shí)應(yīng)該被析構(gòu)，并刪除對(duì)應(yīng)的 key。

小艾說：這還不簡(jiǎn)單，看我的。代碼刷的一下就寫完了。

//場(chǎng)景代碼
#include
class?ObjectPool:boost::noncopyable
{
public:
?shared_ptr