智能指针的理解

C++提供了4种智能指针用于对分配的内存进行自动释放，这些智能指针如下：

auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr。其中auto_ptr在C++98标准引入，后三种在C++11标准中加入。而auto_ptr已经被C++11所摒弃，建议使用后三种智能指针，这4种智能指针使用模板(template)实现。

C++智能指针是行为类似于指针的类对象。它使用设计模式中的代理模式，代理了原始“裸”指针的行为，为指针添加了更多更有用的特性。

C++引入异常机制后，智能指针由一种技巧升级为一种非常重要的技术，因为如果没有智能指针，程序员必须保证new对象能在正确的时机delete，四处编写异常捕获代码释放资源，而智能指针则可以在退出作用域时——不管是正常离开或是因异常离开——总调用delete来析构在堆栈上动态分配的对象。

因为C++异常处理的真正功能在于它具有为异常抛掷前构造的所有局部对象(那么智能指针对象也适用)自动调用析构函数的能力（C++异常机制不仅仅在于它能够处理各种不同类型的异常）。所以在异常退出智能指针对象作用域时，总能由C++异常机制调用析构函数释放在堆栈上动态分配的对象。当然，正常退出对象（智能指针对象也属于此列）作用域也会自动调用析构函数释放在堆栈上动态分配的对象。

由此可知，将“裸”指针包装成智能指针对象可以实现动态分配的内存对象的自动释放。

而且C++智能指针对象可以像原指针那样直接使用运算符，如赋值运算符'='，指针运算符'->'，解引用运算符'*'。这点可以从下面的”shared_ptr智能指针--shared_ptr模板类摘要“部分可以印证。

智能指针(smart pointer)是存储指向动态分配（堆）对象指针的类，用于生存期控制，能够确保自动正确的销毁动态分配的对象，防止内存泄露。它的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象共享同一指针。每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置为1；当对象作为另一对象的副本而创建时，拷贝构造函数拷贝指针并增加与之相应的引用计数；对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数；调用析构函数时，构造函数减少引用计数（如果引用计数减至0，则删除基础对象）。
    智能指针就是模拟指针动作的类。所有的智能指针都会重载 -> 和 * 操作符。智能指针还有许多其他功能，比较有用的是自动销毁。这主要是利用栈对象的有限作用域以及临时对象（有限作用域实现）析构函数释放内存。 智能指针通常用类模板实现：

template <class T>  class smartpointer  {  private:      T *_ptr;  public:      smartpointer(T *p) : _ptr(p)  //构造函数      {      }      T& operator *()        //重载*操作符      {          return *_ptr;      }      T* operator ->()       //重载->操作符      {          return _ptr;      }      ~smartpointer()        //析构函数      {          delete _ptr;      }  };

实现引用计数有两种经典策略，在这里将使用其中一种，这里所用的方法中，需要定义一个单独的具体类用以封装引用计数和相关指针：

// 定义仅由HasPtr类使用的U_Ptr类，用于封装使用计数和相关指针  // 这个类的所有成员都是private，我们不希望普通用户使用U_Ptr类，所以它没有任何public成员  // 将HasPtr类设置为友元，使其成员可以访问U_Ptr的成员  class U_Ptr  {      friend class HasPtr;      int *ip;      size_t use;      U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)      {          cout << "U_ptr constructor called !" << endl;      }      ~U_Ptr()      {          delete ip;          cout << "U_ptr distructor called !" << endl;      }  };

HasPtr类需要一个析构函数来删除指针。但是，析构函数不能无条件的删除指针。”
      条件就是引用计数。如果该对象被两个指针所指，那么删除其中一个指针，并不会调用该指针的析构函数，因为此时还有另外一个指针指向该对象。看来，智能指针主要是预防不当的析构行为，防止出现悬垂指针。

  如上图所示，HasPtr就是智能指针，U_Ptr为计数器；里面有个变量use和指针ip，use记录了*ip对象被多少个HasPtr对象所指。假设现在又两个HasPtr对象p1、p2指向了U_Ptr，那么现在我delete  p1，use变量将自减1，  U_Ptr不会析构，那么U_Ptr指向的对象也不会析构，那么p2仍然指向了原来的对象，而不会变成一个悬空指针。当delete p2的时候，use变量将自减1，为0。此时，U_Ptr对象进行析构，那么U_Ptr指向的对象也进行析构，保证不会出现内存泄露。 
    包含指针的类需要特别注意复制控制，原因是复制指针时只复制指针中的地址，而不会复制指针指向的对象。
    大多数C++类用三种方法之一管理指针成员
    （1）不管指针成员。复制时只复制指针，不复制指针指向的对象。当其中一个指针把其指向的对象的空间释放后，其它指针都成了悬浮指针。这是一种极端
    （2）当复制的时候，即复制指针，也复制指针指向的对象。这样可能造成空间的浪费。因为指针指向的对象的复制不一定是必要的。
   （3） 第三种就是一种折中的方式。利用一个辅助类来管理指针的复制。原来的类中有一个指针指向辅助类，辅助类的数据成员是一个计数器和一个指针（指向原来的）（此为本次智能指针实现方式）。
     其实，智能指针的引用计数类似于java的垃圾回收机制：java的垃圾的判定很简答，如果一个对象没有引用所指，那么该对象为垃圾。系统就可以回收了。
     HasPtr 智能指针的声明如下，保存一个指向U_Ptr对象的指针，U_Ptr对象指向实际的int基础对象，代码如下：

#include<iostream>  using namespace std;    // 定义仅由HasPtr类使用的U_Ptr类，用于封装使用计数和相关指针  // 这个类的所有成员都是private，我们不希望普通用户使用U_Ptr类，所以它没有任何public成员  // 将HasPtr类设置为友元，使其成员可以访问U_Ptr的成员  class U_Ptr  {      friend class HasPtr;      int *ip;      size_t use;      U_Ptr(int *p) : ip(p) , use(1)      {          cout << "U_ptr constructor called !" << endl;      }      ~U_Ptr()      {          delete ip;          cout << "U_ptr distructor called !" << endl;      }  };    class HasPtr  {  public:      // 构造函数：p是指向已经动态创建的int对象指针      HasPtr(int *p, int i) : ptr(new U_Ptr(p)) , val(i)      {          cout << "HasPtr constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;      }        // 复制构造函数：复制成员并将使用计数加1      HasPtr(const HasPtr& orig) : ptr(orig.ptr) , val(orig.val)      {          ++ptr->use;          cout << "HasPtr copy constructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;      }        // 赋值操作符      HasPtr& operator=(const HasPtr&);        // 析构函数：如果计数为0，则删除U_Ptr对象      ~HasPtr()      {          cout << "HasPtr distructor called ! " << "use = " << ptr->use << endl;          if (--ptr->use == 0)              delete ptr;      }        // 获取数据成员      int *get_ptr() const      {          return ptr->ip;      }      int get_int() const      {          return val;      }        // 修改数据成员      void set_ptr(int *p) const      {          ptr->ip = p;      }      void set_int(int i)      {          val = i;      }        // 返回或修改基础int对象      int get_ptr_val() const      {          return *ptr->ip;      }      void set_ptr_val(int i)      {          *ptr->ip = i;      }  private:      U_Ptr *ptr;   //指向使用计数类U_Ptr      int val;  };  HasPtr& HasPtr::operator = (const HasPtr &rhs)  //注意，这里赋值操作符在减少做操作数的使用计数之前使rhs的使用技术加1，从而防止自我赋值  {      // 增加右操作数中的使用计数      ++rhs.ptr->use;      // 将左操作数对象的使用计数减1，若该对象的使用计数减至0，则删除该对象      if (--ptr->use == 0)          delete ptr;      ptr = rhs.ptr;   // 复制U_Ptr指针      val = rhs.val;   // 复制int成员      return *this;  }    int main(void)  {      int *pi = new int(42);      HasPtr *hpa = new HasPtr(pi, 100);    // 构造函数      HasPtr *hpb = new HasPtr(*hpa);     // 拷贝构造函数      HasPtr *hpc = new HasPtr(*hpb);     // 拷贝构造函数      HasPtr hpd = *hpa;     // 拷贝构造函数        cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;      hpc->set_ptr_val(10000);      cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;      hpd.set_ptr_val(10);      cout << hpa->get_ptr_val() << " " << hpb->get_ptr_val() << endl;      delete hpa;      delete hpb;      delete hpc;      cout << hpd.get_ptr_val() << endl;      return 0;  }  

这里的赋值操作符比较麻烦，且让我用图表分析一番：
假设现在又两个智能指针p1、 p2，一个指向内容为42的内存，一个指向内容为100的内存，如下图：

现在，我要做赋值操作，p2 = p1。对比着上面的

HasPtr& operator=(const HasPtr&);   // 赋值操作符  

此时，rhs就是p1，首先将p1指向的ptr的use加1，

++rhs.ptr->use;     // 增加右操作数中的使用计数  

然后，做：

if (--ptr->use == 0)          delete ptr;  

因为，原先p2指向的对象现在p2不在指向，那么该对象就少了一个指针去指，所以，use做自减1；
此时，条件成立。因为u2的use为1。那么，运行U_Ptr的析构函数，而在U_Ptr的析构函数中，做了delete ip操作，所以释放了内存，不会有内存泄露的问题。
接下来的操作很自然，无需多言：

ptr = rhs.ptr;   // 复制U_Ptr指针      val = rhs.val;   // 复制int成员      return *this; 

做完赋值操作后，那么就成为如下图所示了。红色标注的就是变化的部分：

而还要注意的是，重载赋值操作符的时候，一定要注意的是，检查自我赋值的情况。
如图所示：

此时，做p1 = p1的操作。那么，首先u1.use自增1，为2；然后，u1.use自减1，为1。那么就不会执行delete操作，剩下的操作都可以顺利进行。按《C++ primer》说法，“这个赋值操作符在减少左操作数的使用计数之前使rhs的使用计数加1，从而防止自身赋值”。哎，反正我是那样理解的。当然，赋值操作符函数中一来就可以按常规那样：

if(this == &rhs)          return *this;  

运行结果如下图：