【C++进阶】智能指针的使用和原理（2）
5. shared_ptr和weak_ptr
5.1 shared_ptr循环引用问题
- shared_ptr大多数情况下管理资源⾮常合适，⽀持RAII，也⽀持拷贝。但是在循环引⽤的场景下会导致资源没得到释放内存泄漏，所以我们要认识循环引用的场景和资源没释放的原因，并且学会使用weak_ptr解决这种问题。
- 如下图所述场景，n1和n2析构后，管理两个节点的引用计数减到1
- 右边的节点什么时候释放呢，左边节点中的_next管着呢，_next析构后，右边的节点就释放了。
- _next什么时候析构呢，_next是左边节点的的成员，左边节点释放，_next就析构了。
- 左边节点什么时候释放呢，左边节点由右边节点中的_prev管着呢，_prev析构后，左边的节点就释放了。
- _prev什么时候析构呢，_prev是右边节点的成员，右边节点释放，_prev就析构了。
- ⾄此逻辑上成功形成回旋镖似的循环引⽤，谁都不会释放就形成了循环引⽤，导致内存泄漏
- 把ListNode结构体中的_next和_prev改成weak_ptr，weak_ptr绑定到shared_ptr时不会增加它的引⽤计数，_next和_prev不参与资源释放管理逻辑，就成功打破了循环引⽤，解决了这⾥的问题
struct ListNode
{
int _data;
std::shared_ptr<ListNode> _next;
std::shared_ptr<ListNode> _prev;
// 这⾥改成weak_ptr，当n1->_next = n2;绑定shared_ptr时
// 不增加n2的引⽤计数，不参与资源释放的管理，就不会形成循环引⽤了
/*std::weak_ptr<ListNode> _next;
std::weak_ptr<ListNode> _prev;*/
~ListNode()
{
cout << "~ListNode()" << endl;
}
};
int main()
{
// 循环引⽤ -- 内存泄露
std::shared_ptr<ListNode> n1(new ListNode);
std::shared_ptr<ListNode> n2(new ListNode);
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
n1->_next = n2;
n2->_prev = n1;
cout << n1.use_count() << endl;
cout << n2.use_count() << endl;
// weak_ptr不⽀持管理资源，不⽀持RAII
// weak_ptr是专⻔绑定shared_ptr，不增加他的引⽤计数，作为⼀些场景的辅助管理
//std::weak_ptr<ListNode> wp(new ListNode);
return 0;
}5.2 weak_ptr
- weak_ptr不⽀持RAII，也不⽀持访问资源，所以我们看⽂档发现weak_ptr构造时不⽀持绑定到资源，只⽀持绑定到shared_ptr，绑定到shared_ptr时，不增加shared_ptr的引⽤计数，那么就可以解决上述的循环引⽤问题。
- weak_ptr也没有重载operator*和operator->等，因为他不参与资源管理，那么如果他绑定的shared_ptr已经释放了资源，那么他去访问资源就是很危险的。weak_ptr⽀持expired检查指向的资源是否过期，use_count也可获取shared_ptr的引⽤计数，weak_ptr想访问资源时，可以调⽤lock返回⼀个管理资源的shared_ptr，如果资源已经被释放，返回的shared_ptr是⼀个空对象，如果资源没有释放，则通过返回的shared_ptr访问资源是安全的
int main()
{
std::shared_ptr<string> sp1(new string("111111"));
std::shared_ptr<string> sp2(sp1);
std::weak_ptr<string> wp = sp1;
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
// sp1和sp2都指向了其他资源，则weak_ptr就过期了
sp1 = make_shared<string>("222222");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
sp2 = make_shared<string>("333333");
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
wp = sp1;
//std::shared_ptr<string> sp3 = wp.lock();
auto sp3 = wp.lock();
cout << wp.expired() << endl;
cout << wp.use_count() << endl;
*sp3 += "###";
cout << *sp1 << endl;
return 0;
}6. shared_ptr的线程安全问题
- shared_ptr的引⽤计数对象在堆上，如果多个shared_ptr对象在多个线程中，进⾏shared_ptr的拷贝析构时会访问修改引⽤计数，就会存在线程安全问题，所以shared_ptr引⽤计数是需要加锁或者原⼦操作保证线程安全的。
- shared_ptr指向的对象也是有线程安全的问题的，但是这个对象的线程安全问题不归shared_ptr管，它也管不了，应该有外层使⽤shared_ptr的⼈进⾏线程安全的控制。
- 下⾯的程序会崩溃或者A资源没释放，bit::shared_ptr引⽤计数从int*改成atomic<int>*就可以保证引⽤计数的线程安全问题，或者使⽤互斥锁加锁也可以。
struct AA
{
int _a1 = 0;
int _a2 = 0;
~AA()
{
cout << "~AA()" << endl;
}
};
int main()
{
bit::shared_ptr<AA> p(new AA);
const size_t n = 100000;
mutex mtx;
auto func = [&]()
{
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
// 这⾥智能指针拷⻉会++计数
bit::shared_ptr<AA> copy(p);
{
unique_lock<mutex> lk(mtx);
copy->_a1++;
copy->_a2++;
}
}
};
thread t1(func);
thread t2(func);
t1.join();
t2.join();
cout << p->_a1 << endl;
cout << p->_a2 << endl;
cout << p.use_count() << endl;
return 0;
}7. C++11和boost中智能指针的关系
- Boost库是为C++语⾔标准库提供扩展的⼀些C++程序库的总称，Boost社区建⽴的初衷之⼀就是为C++的标准化⼯作提供可供参考的实现，Boost社区的发起⼈Dawes本⼈就是C++标准委员会的成员之⼀。在Boost库的开发中，Boost社区也在这个⽅向上取得了丰硕的成果，C++11及之后的新语法和库有很多都是从Boost中来的。
- C++ 98 中产⽣了第⼀个智能指针auto_ptr。
- C++ boost给出了更实⽤的scoped_ptr/scoped_array和shared_ptr/shared_array和weak_ptr等.
- C++ TR1，引⼊了shared_ptr等，不过注意的是TR1并不是标准版。
- C++ 11，引⼊了unique_ptr和shared_ptr和weak_ptr。需要注意的是unique_ptr对应boost的scoped_ptr。并且这些智能指针的实现原理是参考boost中的实现的。
8. 内存泄漏
8.1 什么是内存泄漏，内存泄漏的危害
什么是内存泄漏：内存泄漏指因为疏忽或错误造成程序未能释放已经不再使用的内存，⼀般是忘记释放或者发生异常释放程序未能执行导致的。内存泄漏并不是指内存在物理上的消失，而是应⽤程序分配某段内存后，因为设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的危害：普通程序运行⼀会就结束了出现内存泄漏问题也不大，进程正常结束，页表的映射关系解除，物理内存也可以释放。长期运⾏的程序出现内存泄漏，影响很大，如操作系统、后台服务、长时间运行的客户端等等，不断出现内存泄漏会导致可⽤内存不断变少，各种功能响应越来越慢，最终卡死。
int main()
{
// 申请⼀个1G未释放，这个程序多次运⾏也没啥危害
// 因为程序⻢上就结束，进程结束各种资源也就回收了
char* ptr = new char[1024 * 1024 * 1024];
cout << (void*)ptr << endl;
return 0;
}8.2 如何检测内存泄漏（了解）
- linux下内存泄漏检测：
- windows下使⽤第三⽅⼯具：
8.3 如何避免内存泄漏
- 工程前期良好的设计规范，养成良好的编码规范，申请的内存空间记着匹配的去释放。ps：这个理想状态。但是如果碰上异常时，就算注意释放了，还是可能会出问题。需要下⼀条智能指针来管理才有保证。
- 尽量使⽤智能指针来管理资源，如果自己场景比较特殊，采⽤RAII思想自己造个轮⼦管理。
- 定期使⽤内存泄漏工具检测，尤其是每次项目快上线前，不过有些工具不够靠谱，或者是收费。
- 总结⼀下：内存泄漏非常常见，解决⽅案分为两种：1、事前预防型。如智能指针等。2、事后查错型。如泄漏检测工具。
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