Smart Pointers
RAII
C++ 中在堆区申请的空间是需要程序员自行进行释放的，但是需要程序员自行约束的事情，总是会出错的，为了更好的管理堆区的内存，C++ 引入了智能指针。
智能指针是对 RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 技术的实现，RAII 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。
我们可以根据 RAII 实现一个最简单的智能指针：
template<class Tp>
class smart_ptr
{
Tp* _ptr;
public:
// 实现 RAII
smart_ptr(Tp p = nullptr)
:_ptr(p)
{}
~smart_ptr()
{ delete _ptr;}
// 指针操作
Tp& operator*()
{ return *_ptr;}
Tp* operator->()
{ return _ptr;}
};
但只是这样还是不够的，对于指针的拷贝，还需要做很多特殊处理，如：多个智能指针指向一块空间时，应该如何避免 Double delete 等等。我们来看看 C++ 库中是如何如理的。
C++ 中提供了三种智能指针:auto_ptr （已弃用）、unique_ptr、shared_ptr，和一个 weak_ptr 来解决shared_ptr 循环引用的问题，后文将详细介绍。
auto_ptr
auto_ptr 是在 C++98 就已经加入到标准中的，auto_ptr 对于指针拷贝的处理是：管理权转移，下面是 auto_ptr 在库中拷贝相关的实现：
template <typename _Tp>
class auto_ptr
{
_Tp *_M_ptr;
public:
typedef _Tp element_type;
/*.......*/
// 两个拷贝都是将 __a 维护的地址交给当前的 auto_ptr并置空
// 拷贝赋值
auto_ptr & operator=(auto_ptr &__a) throw()
{
reset(__a.release());
return *this;
}
// 拷贝构造
auto_ptr(auto_ptr &__a) throw()
: _M_ptr(__a.release())
{}
void reset(element_type *__p = 0) throw()
{
// 避免自己给自己赋值导致的 double delete
if (__p != _M_ptr)
{
delete _M_ptr;
_M_ptr = __p;
}
}
element_type * release() throw()
{
element_type *__tmp = _M_ptr;
_M_ptr = 0;
return __tmp;
}
/*.......*/
};
我们从这个 C++98 风格的写法就可也看出，C++11 以后库就已经弃用了 auto_ptr ，留下源码只是为了向前兼容。为什么会弃用呢？因为这种所有权转移的处理方式会造成指针悬空：
int main()
{
std::auto_ptr<int> a(new int);
std::auto_ptr<int> b (a); // a 对数据的管理权被转移给了 b
(*b)++;
(*a)++; // 访问非法空间
return 0;
}
这样的实现导致在 auto_ptr 的生命周期内，其内部数据不一定是始终有效的，很容易造成非法访问。C++11 向 boost 库学习，向库中加入了 unique_ptr、shared_ptr，来解决这个问题。
unique_ptr
unique_ptr 的解决方案很简单，那就是禁止拷贝，我可以在库中看到：
// Disable copy from lvalue.
unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;
unique_ptr& operator=(const unique_ptr&) = delete;
删除了拷贝构造和拷贝赋值。但是 unique_ptr 实现了移动语义，我们可以使用 move() 来将一个数据管理权交给另一个 unique_ptr，这与 auto_ptr 的管理权转移的处理方法类似，但更为严格，并且使用被 move() 过的变量，一般的编译器都会报警告，比起 auto_ptr 更为安全。
并且 unique_ptr 对数组进行了偏特化，重载了 operator[] 操作：
release VS reset
unique_ptr 中 release 只会释放所有权，并将资源的原始指针返回，资源的释放需要我们手动 delete。
auto v = make_unique<int>(12); // manages the object
int * raw = v.release(); // pointer to no-longer-managed object
delete raw; // needs manual deletion
通常 release 会用来初始化另一个智能指针。除非有必要，否则非常不推荐使用 release 初始化一个原始指针。
而 unique_ptr 中 reset 会释放资源，并将 unique_ptr 置空。如果你提供一个新的非空资源原始指针做参数，unique_ptr 会维护这个新指针。
auto v = make_unique<int>(12); // manages the object
v.reset(); // delete the object, leaving v empty
shared_ptr
shared_ptr 允许拷贝，它内部实现了引用计数，赋值时引用加一，指针过期时引用减一，只有到引用计数减为零时，才释放资源，这就很好的解决了指针拷贝的问题。
class A
{
public:
~A() { std::cout << "~A()" << std::endl; }
};
int main()
{
std::shared_ptr<A> a(new A);
// use_count() 返回当前引用该数据的指针个数，get() 返回维护的原生指针
std::cout << "ptr count:" << a.use_count()
<< " ,address:" << a.get() << std::endl;
{
// b 也引用 a 指向的空间，引用计数 +1
std::shared_ptr<A> b(a);
std::cout << "ptr count:" << b.use_count()
<< " ,address:" << b.get() << std::endl;
// b 生命周期结束，引用计数 -1
}
std::cout << "ptr count:" << a.use_count()
<< " ,address:" << a.get() << std::endl;
// a 生命周期结束，引用计数 -1 ，引用计数为 0 ，释放空间。
return 0;
}
/*
输出结果：
ptr count:1 ,address:0x6f4ad0
ptr count:2 ,address:0x6f4ad0
ptr count:1 ,address:0x6f4ad0
~A()
*/
有了引用计数，就不需要在担心 double delete 的问题了，很好的解决了指针拷贝的问题。但是这又引出了另一个问题，循环引用。
循环引用
什么是循环引用呢？我们拿一个例子来看：
struct list_node
{
int _d;
std::shared_ptr<list_node> _nxt;
std::shared_ptr<list_node> _pre;
public:
~list_node(){ std::cout << "~list_node()" << std::endl; }
};
int main()
{
std::shared_ptr<list_node> node_p1(new list_node);
std::shared_ptr<list_node> node_p2(new list_node);
node_p1->_nxt = node_p2;
node_p2->_pre = node_p1;
return 0;
}
运行上面的代码，你会发现它是没有输出的，也就是说 new 来的 list_node 最后没有释放，内存泄漏了。那只能说明代码结束时，申请来的两个节点的引用计数还是大于 0 的。而错误就发生在两个赋值语句。
这样的两个节点就构成了循环引用，这样也会导致内存泄漏，所以 C++11 还加入了 weak_ptr ，来解决这个问题，weak_ptr 是不满足 RAII 的，所以严格来说不是智能指针，他指向一个对象时，并不会增加其 shared_ptr 维护的引用计数，所以这里我们将节点结构体中的 shared_ptr 换成 weak_ptr 就可以避免这样的情况：
struct list_node
{
int _d;
std::weak_ptr<list_node> _nxt;
std::weak_ptr<list_node> _pre;
public:
~list_node(){ std::cout << "~list_node()" << std::endl; }
};
/*
输出结果：
~list_node()
~list_node()
*/
再运行程序，就可也正常析构节点，释放内存了。
weak_ptr
weak_ptr 是一种弱引用的智能指针，它的实现只是为了协助 shared_ptr 实现功能，它只能由 shared_ptr 或其他 weak_ptr 构造而来，并且它没有重载指针操作，但我们可以通过 lock 成员函数获得一个 shared_ptr 来访问它指向的资源，当然此方式得到的 shared_ptr 也不会增加引用计数。
这样的行为使得 weak_ptr 像一个观察者，只对资源进行读写操作，而不做资源的释放操作，这样在它的生命周期内资源可能会被释放，所以库中提供了 expired 成员函数，判断它观察的资源是否还有效。在使用 weak_ptr 时是需要进行合法性检查的：
int main()
{
std::weak_ptr<int> wp;
auto f = [](std::weak_ptr<int>& wp)
{
// 如果没有失效就输出观察资源的值
if(!wp.expired())
std::cout << *wp.lock() << std::endl;
else std::cout << "wp 失效" << std::endl;
};
{
std::shared_ptr<int> sp(new int(1));
wp = sp; // 观察 sp 维护的资源
f(wp);
}
f(wp); // 此时 wp 观察的资源已经失效
return 0;
}
/*
输出结果：
1
wp 失效
*/
weak_ptr 也可以通过成员函数 use_count 查看资源的引用计数。
- 弱引用计数
std::shared_ptr管理两个成员：
-
控制块：存储引用计数，删除器等
-
被管理对象的指针
在控制块中还有一个弱引用计数，每当有一个 weak_ptr 指向被管理对象，弱引用计数加 1。
当引用计数减为 0 时，shared_ptr 会为我们释放被管理对象。因为 weak_ptr 通过控制块判断资源是否有效，所以只有当弱引用计数减和引用计数都减为 0 时，才会释放控制块（这也导致一些问题，后文会介绍）。
make_shared
我们在创建一个 shared_ptr 时，更推荐使用 make_shared 来构建，它是更高效的，并且是异常安全的。
高效
如上文提到的，make_shared 内部维护的是两个成员控制块和被管理对象的指针。make_shared 只会执行一次堆申请，一并计算我们给的数据和控制块的大小，并申请空间。而如果使用构造函数，类似下面这样:
会执行两次堆申请，一次 new Object("foo") ，一次申请控制块空间。
异常安全
对于异常安全考虑下述例子：
void F(const std::shared_ptr<Lhs> &lhs, const std::shared_ptr<Rhs> &rhs) { /* ... */ }
F(std::shared_ptr<Lhs>(new Lhs("foo")),
std::shared_ptr<Rhs>(new Rhs("bar")));
由于 C++ 允许对子表达式进行任意顺序的求值，因此一种可能的顺序是：
new Lhs("foo")new Rhs("bar")std::shared_ptr<Lhs>std::shared_ptr<Rhs>
当 new Rhs("bar") 出现异常时，会打断后续 std::shared_ptr 的构造，这样会导致 new Lhs("foo") 还未交给std::shared_ptr<Lhs> 管理，就被跳过了，最终导致内存泄漏。
而 std::make_shared 就不会有这样的问题：
但自 C++17 以后， std::shared_ptr 构造不再会出现这样的问题了，因为 C++17 以后要求，函数的每个参数的表达式必须完整执行完，才可以执行其他参数的表达式。
缺点
因为 std::make_shared 会一并申请数据和控制块的空间，所以无法单独的释放被管理对象，当有 weak_ptr 指向这块数据时，因为要维护控制块，所以导致被管理对象也不能释放。只有引用计数和弱引用计数都减为 0 ，才能释放整块的空间。
线程安全
shared_ptr 引用计数在地层是实现了原子性操作的，所以指针本身是线程安全的，但是它维护的数据不是，需要我们自己保证数据的线程安全。
其他注意事项
-
make_shared -
lmabda 函数捕获智能指针
lmabda 捕获 unique_ptr 时，要使用引用捕获，因为 unique_ptr 不能进行拷贝。
lmabda 捕获 shared_ptr 时，要使用值捕获，防止调用时空间已经释放。
shared_ptr的大小
shared_ptr 内部有两个指针 32 位下 8 Byte ，64 位下 16 Byte。一个指针，一个 __shared_count 类，类里封装了一个指针，用于记录引用计数和删除器。