1.为什么需要智能指针

分析一下下面这段程序有没有什么内存方面的问题？ 前面在异常的博客中，我们分析了下图一的代码Func函数中如果div()函数抛异常则程序会直接跳到主函数的catch捕获程序部分，然后接着主函数catch捕获程序部分往后执行代码，那么Func函数中new的空间没有执行后面的delete释放空间代码会造成内存泄漏。 因此在异常的博客中我们的处理办法是在Func函数中增加try catch捕获拦截异常，将delete释放空间操作处理完之后再把异常抛出去，如下图二所示。

在异常的博客中new开辟一次空间上图二所示的方式是可以的，但上图二所示的代码两次new开辟空间，如果第二次new开辟空间开辟失败抛了异常，例如上面代码int* p2 = new int开辟失败报异常会直接跳到主函数的catch捕获程序部分，然后接着主函数catch捕获程序部分往后执行代码，那么Func函数中代码int* p2 = new int往后的代码都没有运行，因此第一次new开辟空间后也没有delete释放空间，会造成内存泄漏。

那么如何解决上面的问题呢？c++提出了智能指针的解决方案。

2.智能指针的使用及原理

2.1.RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种利用对象生命周期来控制程序资源（如内存、文件句柄、网络连接、互斥量等等）的简单技术。 在对象构造时获取资源，接着控制对资源的访问使之在对象的生命周期内始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。借此，我们实际上把管理一份资源的责任托管给了一个对象。这种做法有两大好处： 不需要显式地释放资源。 采用这种方式，对象所需的资源在其生命期内始终保持有效。 注：RAII技术是智能指针实现的指导思想。 如下图所示，我们使用智能指针类来解决本博客第一节的问题，这样即使Func函数中第二次new开辟空间失败即SmartPtr sp2(new int)中new int开辟空间失败抛异常，程序会直接跳到主函数的catch捕获程序部分，然后接着主函数catch捕获程序部分往后执行代码，此时Func函数栈帧已经销毁，sp1智能指针通过系统自动调用智能指针类的析构函数将sp1智能指针指向的空间进行了释放，解决了内存泄漏的问题。

// 使用RAII思想设计的SmartPtr类
template
class SmartPtr {
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if (_ptr)delete _ptr;}private:T* _ptr;
};
int div()
{int a, b;cin >> a >> b;if (b == 0)throw invalid_argument("除0错误");return a / b;
}
void Func()
{//使用方法一int* p1 = new int;SmartPtr sp1(p1);//使用方法二SmartPtr sp2(new int);cout << div() << endl;
}
int main()
{try {Func();}catch (const exception& e){cout << e.what() << endl;}return 0;
}

2.2.智能指针的原理

上述的SmartPtr还不能将其称为智能指针，因为它还不具有指针的行为。指针可以解引用，也可以通过->去访问所指空间中的内容，因此AutoPtr模板类中还得需要将operator*函数和operator->函数重载一下，才可让其像指针一样去使用。

template
class SmartPtr 
{
public:SmartPtr(T* ptr = nullptr): _ptr(ptr){}~SmartPtr(){if (_ptr)delete _ptr;}T& operator*() {return *_ptr; }T* operator->() { return _ptr; }
private:T* _ptr;
};
struct Date
{int _year;int _month;int _day;
};
int main()
{SmartPtr sp1(new int);*sp1 = 10;cout << *sp1 << endl;SmartPtr sparray(new Date);// 需要注意的是这里应该是sparray.operator->()->_year = 2018;// 本来应该是sparray->->_year这里语法上为了可读性，省略了一个->sparray->_year = 2023;sparray->_month = 1;sparray->_day = 1;
}

总结一下智能指针的原理： 1. RAII特性。 2. 重载operator*和opertaor->，具有像指针一样的行为。

智能指针的拷贝问题：

智能指针类模拟的是原生指针的行为，因此智能指针类的拷贝应该是浅拷贝。

智能指针类正常的浅拷贝会出现问题，原智能指针和拷贝对象智能指针都指向同一块内存空间，析构时调用智能指针类的析构函数，两个智能指针会调用两次析构函数分别释放，指向的内存空间会释放两次，系统报错。

问题：容器的迭代器也是模拟原生指针的行为，拷贝的时候也是浅拷贝，为什么智能指针浅拷贝会出错而迭代器不会出错？

答：容器的迭代器类中，迭代器类的析构函数不负责节点的释放，节点属于容器由容器类的析构函数释放，迭代器生命周期结束调用析构函数时不会释放空间，不会报错。对于智能指针，智能指针类的析构函数要负责释放资源，所以智能指针生命周期结束调用析构函数时，如果两个智能指针指向同一空间会连续释放就会报错。

为了解决智能指针拷贝的问题，STL官方库中给出了auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr四种智能指针来解决，下面我们详细介绍这四种智能指针。

2.3.std::auto_ptr

auto_ptr文档介绍：auto_ptr - C++ Reference (cplusplus.com)

auto_ptr的实现原理：管理权转移的思想，被拷贝的对象悬空，如下图所示，被拷贝对象无法再使用。 注： 1.很多公司明确要求不能使用auto_ptr。 2.auto_ptr在标准库的中，因此要使用auto_ptr需要#include

C++98版本的库中就提供了auto_ptr的智能指针。下面简化模拟实现了一份bit::auto_ptr来了解它的原理。

SmartPtr.h文件：

// C++98 管理权转移 auto_ptr
namespace bit
{templateclass auto_ptr{public:auto_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}auto_ptr(auto_ptr& sp):_ptr(sp._ptr){// 管理权转移sp._ptr = nullptr;}auto_ptr& operator=(auto_ptr& ap){// 检测是否为自己给自己赋值if (this != &ap){// 释放当前对象中资源if (_ptr)delete _ptr;// 转移ap中资源到当前对象中_ptr = ap._ptr;ap._ptr = NULL;}return *this;}~auto_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}private:T* _ptr;};
}

2.4.std::unique_ptr

boost库：Boost是为c++标准库提供扩展的一些C++程序库的总称。boost库是一个可移植、提供源代码的C++库，作为标准库的后备，是C++标准化进程的开发引擎之一，是为C++语言标准库提供扩展的一些C++程序库的总称。boost库由C++标准委员会库工作组成员发起，其中有些内容有望成为下一代C++标准库内容。在C++社区中影响甚大，是不折不扣的“准”标准库。

C++11标准库库才更新智能指针实现，C++11出来之前，boost库出了比标准库中auto_ptr更好用的scoped_ptr、shared_ptr、weak_ptr，C++11标准库将boost库中智能指针精华部分吸收了过来，产生了unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr智能指针。

unique_ptr文档介绍：unique_ptr - C++ Reference (cplusplus.com)

unique_ptr的实现原理：简单粗暴的防拷贝，即不让拷贝，如下图所示，如果拷贝编译就报错。

注：

1.标准库中unique_ptr的原型是boost库中的scoped_ptr。 2.unique_ptr在标准库的中，因此要使用unique_ptr需要#include 下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理。 SmartPtr.h文件：

// C++11 防拷贝 unique_ptr
namespace bit
{templateclass unique_ptr{public:unique_ptr(T* ptr):_ptr(ptr){}~unique_ptr(){if (_ptr){cout << "delete:" << _ptr << endl;delete _ptr;}}// 像指针一样使用T& operator*(){return *_ptr;}T* operator->(){return _ptr;}unique_ptr(const unique_ptr& sp) = delete;unique_ptr& operator=(const unique_ptr& sp) = delete;private:T* _ptr;};
}

注：

1.防拷贝的方法是拷贝函数只声明不实现，但是仅仅只声明不实现是不行的，不排除一些老六在外面自己实现，如下图的①所示。为了防止这种情况，c++98的方法是将拷贝函数声明设置为私有，这样类外面就无法调用（即使老六自己实现了在类外面也无法调用拷贝函数），如下图②所示，c++11的方法是直接在拷贝函数声明的后面加一个=delete即可，这样拷贝函数不能再被调用（即使老六自己实现了在任何地方也都无法调用拷贝函数），如下图的③所示。

2.赋值运算符重载函数与拷贝构造函数相同，要做到防赋值，即如果赋值编译就报错。

2.5.std::shared_ptr

shared_ptr文档介绍：shared_ptr - C++ Reference (cplusplus.com)

shared_ptr的实现原理：是通过引用计数的方式来实现多个shared_ptr对象之间共享资源。例如实验课老师在上完课之后都会通知，让最后走的学生记得把门锁下。

原理详细解释：shared_ptr在其内部，给每个资源都维护了着一份计数，用来记录该份资源被几个对象共享。在对象被销毁时(也就是析构函数调用)，就说明自己不使用该资源了，对象的引用计数减一。如果引用计数是0，就说明自己是最后一个使用该资源的对象，必须释放该资源；如果不是0，就说明除了自己还有其他对象在使用该份资源，不能释放该资源，否则其他对象就成野指针了。

注：

1.标准库中shared_ptr的原型是boost库中的shared_ptr。 2.shared_ptr在标准库的中，因此要使用shared_ptr需要#include

下面简化模拟实现了一份UniquePtr来了解它的原理。

SmartPtr.h文件：

注：

1.