08 | smart_ptr：智能指针到底“智能”在哪里？
2020-05-23 罗剑锋
罗剑锋的C++实战笔记
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讲述：Chrono
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你好，我是 Chrono。
上节课在讲 const 的时候，说到 const 可以修饰指针，不过今天我要告诉你：请忘记这种用法，在现代 C++ 中，绝对不要再使用“裸指针（naked pointer）”了，而是应该使用“智能指针（smart pointer）”。
你肯定或多或少听说过、用过智能指针，也可能看过实现源码，那么，你心里有没有一种疑惑，智能指针到底“智能”在哪里？难道它就是解决一切问题的“灵丹妙药”吗？
学完了今天的这节课，我想你就会有个明确的答案了。
什么是智能指针？
所谓的“智能指针”，当然是相对于“不智能指针”，也就是“裸指针”而言的。
所以，我们就先来看看裸指针，它有时候也被称为原始指针，或者直接简称为指针。
指针是源自 C 语言的概念，本质上是一个内存地址索引，代表了一小片内存区域（也可能会很大），能够直接读写内存。
因为它完全映射了计算机硬件，所以操作效率高，是 C/C++ 高效的根源。当然，这也是引起无数麻烦的根源。访问无效数据、指针越界，或者内存分配后没有及时释放，就会导致运行错误、内存泄漏、资源丢失等一系列严重的问题。
其他的编程语言，比如 Java、Go 就没有这方面的顾虑，因为它们内置了一个“垃圾回收”机制，会检测不再使用的内存，自动释放资源，让程序员不必为此费心。
其实，C++ 里也是有垃圾回收的，不过不是 Java、Go 那种严格意义上的垃圾回收，而是广义上的垃圾回收，这就是构造 / 析构函数和 RAII 惯用法（Resource Acquisition Is Initialization）。
我们可以应用代理模式，把裸指针包装起来，在构造函数里初始化，在析构函数里释放。这样当对象失效销毁时，C++ 就会自动调用析构函数，完成内存释放、资源回收等清理工作。
和 Java、Go 相比，这算是一种“微型”的垃圾回收机制，而且回收的时机完全“自主可控”，非常灵活。当然也有一点代价——你必须要针对每一个资源手写包装代码，又累又麻烦。
智能指针就是代替你来干这些“脏活累活”的。它完全实践了 RAII，包装了裸指针，而且因为重载了 * 和 -> 操作符，用起来和原始指针一模一样。
不仅如此，它还综合考虑了很多现实的应用场景，能够自动适应各种复杂的情况，防止误用指针导致的隐患，非常“聪明”，所以被称为“智能指针”。
常用的有两种智能指针，分别是 unique_ptr 和 shared_ptr，下面我就来分别介绍一下。
认识 unique_ptr
unique_ptr 是最简单、最容易使用的一个智能指针，在声明的时候必须用模板参数指定类型：
你需要注意的是，unique_ptr 虽然名字叫指针，用起来也很像，但它实际上并不是指针，而是一个对象。所以，不要企图对它调用 delete，它会自动管理初始化时的指针，在离开作用域时析构释放内存。
另外，它也没有定义加减运算，不能随意移动指针地址，这就完全避免了指针越界等危险操作，可以让代码更安全：
除了调用 delete、加减运算，初学智能指针还有一个容易犯的错误是把它当成普通对象来用，不初始化，而是声明后直接使用：
未初始化的 unique_ptr 表示空指针，这样就相当于直接操作了空指针，运行时就会产生致命的错误（比如 core dump）。
不过，make_unique() 要求 C++14，好在它的原理比较简单。如果你使用的是 C++11，也可以自己实现一个简化版的 make_unique()，可以参考下面的代码：
unique_ptr 的所有权
使用 unique_ptr 的时候还要特别注意指针的“所有权”问题。
正如它的名字，表示指针的所有权是“唯一”的，不允许共享，任何时候只能有一个“人”持有它。
为了实现这个目的，unique_ptr 应用了 C++ 的“转移”（move）语义，同时禁止了拷贝赋值，所以，在向另一个 unique_ptr 赋值的时候，要特别留意，必须用 std::move() 函数显式地声明所有权转移。
赋值操作之后，指针的所有权就被转走了，原来的 unique_ptr 变成了空指针，新的 unique_ptr 接替了管理权，保证所有权的唯一性：
如果你对右值、转移这些概念不是太理解，也没关系，它们用起来也的确比较“微妙”，这里你只要记住，尽量不要对 unique_ptr 执行赋值操作就好了，让它“自生自灭”，完全自动化管理。
认识 shared_ptr
接下来要说的是 shared_ptr，它是一个比 unique_ptr 更“智能”的智能指针。
初看上去 shared_ptr 和 unique_ptr 差不多，也可以使用工厂函数来创建，也重载了 * 和 -> 操作符，用法几乎一样——只是名字不同，看看下面的代码吧：
但 shared_ptr 的名字明显表示了它与 unique_ptr 的最大不同点：它的所有权是可以被安全共享的，也就是说支持拷贝赋值，允许被多个“人”同时持有，就像原始指针一样。
shared_ptr 支持安全共享的秘密在于内部使用了“引用计数”。
引用计数最开始的时候是 1，表示只有一个持有者。如果发生拷贝赋值——也就是共享的时候，引用计数就增加，而发生析构销毁的时候，引用计数就减少。只有当引用计数减少到 0，也就是说，没有任何人使用这个指针的时候，它才会真正调用 delete 释放内存。
因为 shared_ptr 具有完整的“值语义”（即可以拷贝赋值），所以，它可以在任何场合替代原始指针，而不用再担心资源回收的问题，比如用于容器存储指针、用于函数安全返回动态创建的对象，等等。
shared_ptr 的注意事项
那么，既然 shared_ptr 这么好，是不是就可以只用它而不再考虑 unique_ptr 了呢？
答案当然是否定的，不然也就没有必要设计出来多种不同的智能指针了。
虽然 shared_ptr 非常“智能”，但天下没有免费的午餐，它也是有代价的，引用计数的存储和管理都是成本，这方面是 shared_ptr 不如 unique_ptr 的地方。
如果不考虑应用场合，过度使用 shared_ptr 就会降低运行效率。不过，你也不需要太担心，shared_ptr 内部有很好的优化，在非极端情况下，它的开销都很小。
另外一个要注意的地方是 shared_ptr 的销毁动作。
因为我们把指针交给了 shared_ptr 去自动管理，但在运行阶段，引用计数的变动是很复杂的，很难知道它真正释放资源的时机，无法像 Java、Go 那样明确掌控、调整垃圾回收机制。
你要特别小心对象的析构函数，不要有非常复杂、严重阻塞的操作。一旦 shared_ptr 在某个不确定时间点析构释放资源，就会阻塞整个进程或者线程，“整个世界都会静止不动”（也许用过 Go 的同学会深有体会）。这也是我以前遇到的实际案例，排查起来费了很多功夫，真的是“血泪教训”。
shared_ptr 的引用计数也导致了一个新的问题，就是“循环引用”，这在把 shared_ptr 作为类成员的时候最容易出现，典型的例子就是链表节点。
下面的代码演示了一个简化的场景：
在这里，两个节点指针刚创建时，引用计数是 1，但指针互指（即拷贝赋值）之后，引用计数都变成了 2。
这个时候，shared_ptr 就“犯傻”了，意识不到这是一个循环引用，多算了一次计数，后果就是引用计数无法减到 0，无法调用析构函数执行 delete，最终导致内存泄漏。
这个例子很简单，你一下子就能看出存在循环引用。但在实际开发中，指针的关系可不像例子那么清晰，很有可能会不知不觉形成一个链条很长的循环引用，复杂到你根本无法识别，想要找出来基本上是不可能的。
想要从根本上杜绝循环引用，光靠 shared_ptr 是不行了，必须要用到它的“小帮手”：weak_ptr。
weak_ptr 顾名思义，功能很“弱”。它专门为打破循环引用而设计，只观察指针，不会增加引用计数（弱引用），但在需要的时候，可以调用成员函数 lock()，获取 shared_ptr（强引用）。
刚才的例子里，只要你改用 weak_ptr，循环引用的烦恼就会烟消云散：
小结
好了，今天就先到这里。智能指针的话题很大，但是学习的时候我们不可能一下子把所有知识点都穷尽，而是要有优先级。所以我会捡最要紧的先介绍给你，剩下的接口函数等细节，还是需要你根据自己的情况，再去参考一些其他资料深入学习的。
我们来回顾一下这节课的重点。
智能指针是代理模式的具体应用，它使用 RAII 技术代理了裸指针，能够自动释放内存，无需程序员干预，所以被称为“智能指针”。
如果指针是“独占”使用，就应该选择 unique_ptr，它为裸指针添加了很多限制，更加安全。
如果指针是“共享”使用，就应该选择 shared_ptr，它的功能非常完善，用法几乎与原始指针一样。
应当使用工厂函数 make_unique()、make_shared() 来创建智能指针，强制初始化，而且还能使用 auto 来简化声明。
shared_ptr 有少量的管理成本，也会引发一些难以排查的错误，所以不要过度使用。
我还有一个很重要的建议：
既然你已经理解了智能指针，就尽量不要再使用裸指针、new 和 delete 来操作内存了。
如果严格遵守这条建议，用好 unique_ptr、shared_ptr，那么，你的程序就不可能出现内存泄漏，你也就不需要去费心研究、使用 valgrind 等内存调试工具了，生活也会更“美好”一点。
课下作业
最后是课下作业时间，给你留两个思考题：
你觉得 unique_ptr 和 shared_ptr 的区别有哪些？列举一下。
你觉得应该如何在程序里“消灭”new 和 delete？
欢迎你在留言区写下你的思考和答案，如果觉得今天的内容对你有所帮助，也欢迎分享给你的朋友，我们下节课见。
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2020-05-23C++ 这么小众吗？讲得这么好，如果写成书，完全可以看成另外一本 effective C++ 了，为什么才 3000 多订阅人数？展开作者回复: 已经不少了吧，相识就是缘分，笑。
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2020-05-26罗老师，今天尝试使用智能指针改写双向链表的时候感觉实现很麻烦啊，请问在实现这种基本数据结构的时候需要使用智能指针吗展开作者回复: 基本的数据结构强调效率，用智能指针就有点成本略高，当然作为练手还是可以的。
智能指针最适合的应用场景是“自动资源管理”，链表还是不太合适，而且使用shared_ptr容易出现循环引用，改成weak_ptr会好一些。 2- 2020-05-251. 我的理解是Unique pointer 是对象而不是指针，但重载了*和箭头，离开了对象的作用域就会被析构，所管理的资源在析构执行过程中被释放；那move操作是不是对对象进行拷贝了才得以传递？
shared_ptr 貌似也是对象，重点在于引用计数，对赋值拷贝计数+1，对于执行析构时计数-1，同时判断计数是否0，被管理的资源是否需要释放；
没明白为什么weak pointer能避免循环引用，是因为locker，避免错误计数？展开作者回复:
1.说的挺好。move操作是转移，不是拷贝，把原unique_ptr给“偷”到了另一个对象里，所有权也就同时转移了。
2.对，shared_ptr的关键就是引用计数，原来的名字叫counted_ptr。
3.weak_ptr是“弱引用”，只是观察目标，不增加计数，所以不会导致循环引用，可以再看标准文档。 1 
2020-05-31说实话，unique_ptr比起裸指针革命性进步，但是shared_ptr 有点over engineering ，感觉有些时候用起来会很坑。不知道你怎么看展开
2020-05-30使用智能指针可以自动析构“资源”，隐含了指针管理的细节，从而提高了代码的安全性和易用性，但是这是否同时意味着效率下降？在极致追求执行速度的系统中，是否需要避免使用智能指针，依赖程序员自己管理裸指针的new和delete呢？展开作者回复: 追求极致性能，那当然还是要自己管理好了，但这样也就要自己承担安全的责任了。
建议用unique_ptr，它的速度与裸指针几乎相同，没有引用计数的成本。
2020-05-29老师文稿中的这段代码我改了下如果封装到一个函数里，可以被多线程并发调用吗？unique_ptr尽管有move可以进行转移，但是同一时刻ptr1是不是只允许转移到一个ptr2，而之前转移成功的后续逻辑还没有执行完
void methodtest（uniqptr_ptr ptr1）｛
auto ptr2 = std::move(ptr1); // 使用move()转移所有权
assert(!ptr1 && ptr2); // ptr1变成了空指针
//use ptr2 dosomething……
｝展开作者回复: uniqptr_ptr不是线程安全的，不要在多线程里用。
应该用shared_ptr，但它也只有最基本的线程安全保证，不能完全依赖它，具体要看文档里的精确描述。
2020-05-27智能指针管理数组，是不是不会移动释放，需要自己手动书写？作者回复: 不建议用智能指针管理数组，虽然这样也可以，最好用容器。
2020-05-26罗老师，您好，我的工作场景中经常需要new一个数组来缓存从下位机采集到的数据，比如new [100]来缓存100帧图像数据，请问下，c++11中智能指针如何去管理new数组，谢谢作者回复: 动态数组虽然也可以用shared_ptr来管理，但不是很推荐，其实更应该用容器vector，这个在C++98里就有。
1- 2020-05-25shared_ptr 与unique_ptr最大区别就在于前者可以多个指针共享一个对象或元素，而后者一块内存空间只能由唯一的一个指针持有。
使用堆内存新建对象均使用智能指针，就可以不用new/delete展开作者回复: 说的很好，智能指针就要这样用。
2020-05-25“因为 shared_ptr 具有完整的“值语义”（即可以拷贝赋值）”
一直都觉得值语义这三个字比较难理解。想请教下这个概念到底是想说明什么问题，这个“值”该怎么理解？展开作者回复: 值是和引用对应的，值就是有实体，可以拷贝，而引用是虚的，只是个别名，操作上有区别。
2020-05-25默认用的比较多的是unique_ptr ，相反的shared_ptr倒是用的不多，因为担心文中提到的循环引用，资源消耗，线程安全等问题。大部分时候，unique_ptr是能完全取代裸指针的。如果是存粹的标准C++代码，使用智能指针确实很舒服，把它们当成一个普通的类型看就行了。但是，同时，作为C++程序员我们又不得不和裸指针打交道，不论是Linux还是Windows，我们不可避免的要使用它们的系统api，于是就不得不使用get将智能指针转成裸指针。而这条指针所指向的内存在系统api里也许是不应该随意析构掉的，因为在系统内部可能还得继续使用这段内存，那么在这种场景下，智能指针的特性就可能帮倒忙，难受了😫。针对这种问题，我想到的就是延长这个智能指针的生命周期，或者直接使用release将裸指针释放出来，可是这样一来，delete就少不了要使用了😔展开作者回复: 是的，涉及到系统底层，有时候就可能要用到delete，不过你也可以试着用RAII来管理，或者用shared_ptr的定制删除函数，还是能够找到不用delete的方式的。
2020-05-24罗老师好，咨询个shared_ptr与多态的问题：
class A {public: virtual ~A() = default;}; //虚析构
class B: public A{}; //共有继承
class HolderA {public: std::shared_ptr<A> data;}; //最少知道原则，只需持有A即可
class HolderB {public: std::shared_ptr<B> data;}; //需要派生类的高级特性，所以需要持有B
存在如下的使用场景：
std::shared_ptr<B> data = std::make_shared<B>();
需要将data同时交付给HolderA/HoladerB，这样化的话，发现搞不定了。。。（HolderA没法被赋值）
思考：
1、如果HolderA/HolderB中使用裸指针的话，还是比较轻松的，指针的生命周期交由外部统一管理，但是感觉指针管理方式不统一。
2、如果使用shared_ptr那该如何实现？
3、像此类共享场景、或者类的数据成员，一般在裸指针与shared_ptr如何选择
4、unique_ptr不存在共享，就没这么麻烦展开作者回复: 可以用std::dynamic_pointer_cast，在shared_ptr里存储基类指针，然后再动态转型成子类。
shared_ptr很灵活，有很多形式的构造函数和辅助工具，你说的这种情形很常见，所以肯定考虑到了，需要看接口文档，找出合适自己的解决办法。 1
2020-05-24开发的软件要在xp系统上运行貌似这些都不能用展开作者回复: xp系统太老了，但新版的vc应该也支持编译出xp运行的应用吧。
抱歉很久没有做Windows开发了，这方面不是太了解。
2020-05-24老师，关于unique_ptr，如auto ptr = ptr1，那ptr1就应该被置空啦。不需要显示的调用std::move作者回复: 我测试了一下，是不行的，会报编译错误，因为unique_ptr禁止了普通的拷贝赋值，只允许转移，必须调用std::move()。
2020-05-231.unique的所有权只能转移，不能增加。shared可以转移也可以增加。多个线程访问一个unique或shared也存在并发问题。unique没有循环引用的问题。
2. 尽量使用智能指针，就可以避免手动管理了。展开作者回复: 说的很好，有了智能指针，就不需要new和delete了。
2020-05-23问老师一个我最近被困惑到的智能指针相关的问题，多线程的一些系统调用，它需要传递一些指针来作为参数，比如Linux或Windows底下的系统线程中子线程的参数，比如CreateIoCompectionPort里面的参数，我们从A线程传参，B线程取参，中间可能经过了操作系统，这种情况是无法使用智能指针的，那是不是只能靠手动来管理呢？展开作者回复: shared_ptr也可以自定义删除函数，自己定制管理策略，这个就需要仔细分析资源的生存周期了，涉及到底层必须小心。
C++提供的工具很多，用法也复杂，得仔细看接口文档，很可能就会在里面找到好的解决方案。
2020-05-23罗老师你好，有个问题请教一下：std::move是否也适用于shared_ptr，和=有区别吗？作者回复: 区别很大，move是转移语义，=是拷贝共享语义，但对于shared_ptr来说一般没有必要用转移语义。
2020-05-23shared_ptr 的销毁动作，这段说世界停止，是为什么停止，做了什么操作导致世界停止，智能指针不是线程安全？展开作者回复: 析构，里面有复杂操作阻塞线程。
shared_ptr只提供基本的线程安全，需要去细看文档，不能完全依赖它。- 2020-05-23您好！为什么面试喜欢问cpp底层实现细节。比如说虚表实现，stl实现？有什么最大的价值？万一工作换新语言还要都弄的很清楚吗？那时间成本呢？展开
作者回复: 是啊，我觉得这样的面试官很low，可能他们的水平也就那样了吧。
不过既然是面试，也只能忍一下了，不过可以看出应聘公司的水平。 
2020-05-23項目正在使用一個自家編寫的win32 api實現的引用計數器proxy，最近陷入了不可移植性的苦惱。請問老師有沒有辦法利用c++11的好處，而不需要停止使用這已經滲透在代碼庫所有角落的自家類別？作者回复: boost里有一个intrusive_ptr，应该可以解决你的问题，可惜它不是标准库里的。
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