C++智能指针

1.内存泄漏

这里的a的内存是编译器自动分配的，就是用指针p去指向它，在函数调用完后，编译器会自动释放a的内存。
而用new关键字（或者malloc）来动态请求一些内存时，就需要我们手动去释放内存。

new对应delete，malloc对应free。当我们没有手动释放内存时，编译器是不会帮我们去释放的。这里的delete是释放p指向的内存，不是删除p本身。所以在delete之后，还可以把p指向别的地方。如下：

new不只可以动态请求单个元素的内存，还可以请求多个元素组成的数组。如下：

在delete时记得加上方括号，但方括号里不用写元素个数，因为编译器会帮我们记下来，我们创建了多少个元素。

小知识点： 局部变量会分配在栈内存里，当函数调用结束后，局部变量就会自动释放，编译器会自动去完成释放，所以就不用我们去释放。但堆内存就用于动态分配，就需要我们手动去请求并释放这块内存。不然这块内存就会一直存在，造成内存泄漏。而且这块内存别人也访问不了，就会造成内存的浪费。要是这样一直下去，内存将会被榨干，从而造成系统崩溃。

补充知识点： 对于同一块内存，不能删两次，这样的行为属于undefined behavi。可能会没事，但也可能产生严重的后果。

当删完内存之后，可以把p赋值为nullptr，相比于NULL，它是类型安全的，因为这某些情况下，编译器会把NULL和int类型搞混。

2.智能指针

(1)共享指针（shared_ptr）

命名空间下使用。

定义和初始化

等同于

推荐使用make_shared，效率更高，在C++17之前的编译器下也更安全。

shared_ptr（共享指针），会有一个引用计数器，每当一个共享指针指向同一片空间时，计数器就会加1。当计数器减少到为0时，该片空间就会被自动释放。当有一块资源，同时有裸指针和共享指针指向它时，当共享指针减少到为0时，这块空间还是会自动释放，此时再用裸指针去访问这块资源时，就会变成未定义的行为（undefined behavior），可能就会导致比较严重的后果。所以一个良好的编程习惯就是，在使用共享指针时要避免和裸指针混用。

shared_ptr 有reset（重置）函数，当直接调用时，没有参数时，会使该共享指针所指向的资源计数器减1，而本身就不再指向原来的物体。上面的代码中，调用三次reset之后，也就是Ball的计数器的值减少为0，这是Ball就会自动释放。

reset也可以接收一个指针，sp指向一个新的Ball，旧的Ball的计数值就会减少1，如果此时减少完为0，旧的Ball就会自动释放。

默认情况下，shared_ptr会用delete来删除资源，但我们也可以自定义一个删除函数。

在文件指针计数降为0时，是要自动去关闭这个文件，而不是delete这个指针。

别名（Aliasing）（shared_ptr的一个特殊用法）

用常规方法定义了一个指向Foo的共享指针f。再定义了一个指向Bar类型的共享指针b，它的第一个参数是f，第二个参数是指向f的一个成员bar，这个就是shared_ptr的别名，其结果就是b拥有了对f指向物体的管理权。我们在定义b之后，f所指向的引用计数会加1，如果b不消失，那么f指向的物体就不会被删除。但是b的数据指针指向的却是bar，是f的一个成员。当我们像普通指针使用b的时候，我们实际上访问的是Bar实例，而不是Foo实例。通常这个技巧用于访问类的成员变量，我们访问的是一个实例的成员，但是我们不希望我们在用这个实例的时候，该实例被删除，所以我们增加了对这个实例的控制权，但是我们仍然访问的是成员。

注意： shared_ptr由于有引用计数，所以难免会用额外的内存和性能开销。所以在一些对性能要求比较苛刻的场景下，共享指针可能就不太适用。

（2）独享指针（unique_ptr）

这是一种零开销的智能指针，既能帮忙管理内存，又没有额外的性能开销。非常推荐在任何合适的情况下去使用。

unique_ptr独占某个资源的管理权。当独享指针被销毁或者reset的时候，其绑定的资源也会被自动释放。既然是独享，就不能有两个unique_ptr同时指向一份资源，所以unique_ptr也就不能支持复制操作。

当unique_ptr被销毁（如，当跳出局部的作用域时）时，其绑定的资源就会自动释放，不用我们再手动delete，非常方便。

unique_ptr有两个好处： 1.在相应的场景下，不再需要手动地释放内存；2.避免一些因为异常引起的bug。

上面这段代码中虽然手动delete了p，但仍然可能引起内存泄露，因为如果p->foo()这一步抛出了异常，delete将不会被执行。但如果我们使用unique_ptr就不会出现这个问题，即便过程中抛出了异常，资源最后也会释放。

unique_ptr释放资源的方法：

1.

可以用reset方法来释放unique_ptr下的资源，也可以在释放的同时指向另外一份资源。
第一行会释放up下的资源，并把up设置为nullptr；
第二行会释放up下的资源，并把up指向一个新的Ball实例。

2.

还可以用release把unique_ptr跟资源解绑，release返回资源的裸指针同时把unique_ptr设置成nullptr，此时就需要自己手动管理内存了。

3.

直接把unique_ptr赋值为nullptr，其绑定的资源会自动释放。

小知识点：
由于unique_ptr独占一块内存的控制权，所以它不支持普通拷贝。

上面这段代码的第二三行会导致编译的时候报错，因为我们不能复制控制权。但是我们可以转移控制权。

这段代码的release就释放了up1的控制权，返回了资源的裸指针，然后用来给up2初始化，up2就获得了up2的控制权，这就是转移的效果。我们也可以使用std::move来达成同样的目的。

在默认情况下，unique_ptr使用new和delete来分配和释放内存。但也可以自定义创建和删除函数。

unique_ptr使用自定义删除函数比shared_ptr更复杂，原因在于unique_ptr绑定释放函数是在编译期，避免了运行时绑定的时间损耗。删除函数的类型本身变成unique_ptr实例的一部分。这是unique_ptr 0额外开销的特性决定的。shared_ptr的自定义函数在运行时绑定，用户用起来更简单，由于shared_ptr的引用计数已经有运行时消耗了，再增加一点也就无所谓了，所以出于这种考虑，对unique_ptr和shared_ptr的自定义释放函数做出了不同的设计。

如何在函数间传递unique_ptr？

unique_ptr性能好，没有什么额外的开销，所以推荐在任何合适的情况下去使用，但是由于它禁止复制操作，所以它在作为函数参数在函数间传递的时候有一些注意事项。

当作为参数直接传递给函数，由于unique_ptr不能复制，所以上面这种情况会导致编译错误。
（1）如果我们只是需要传递unique_ptr指向的内容，而不需要传递它本身的话，我们就只是需要传递unique_ptr底下的资源就可以了。如这样：

（2）与此类似的还有第二种方法，我们把get()作为参数传递：

up.get()获得的是资源的裸指针，也能访问资源同时也避免unique_ptr的复制。以上情况只能让我们访问unique_ptr的资源，如果我们想通过函数改变unique_ptr本身呢？

（3）就需要把函数的参数设置为unique_ptr的引用，就像如此：

（4）还有一种方法可以传递unique_ptr，就是std::move，可以转移对unique_ptr的控制权。

上面代码，我们转移了up的控制权到函数中，因此原up变成了nullptr。以上就是在函数间传递独占指针的四个方法。

函数返回unique_ptr的情况

虽然作为参数传递有着限制，但是函数可以返回unique_ptr并且用来初始化，就像这段代码所展示的一样。

（3）弱指针（weak_ptr）：

简单来说，weak_ptr是shared_ptr的伴侣，它是一个观察者，它对资源的引用是非拥有式的，也就是它没有资源的管理权，不能控制资源的释放。甚至想要访问资源的时候，也需要通过创建一个临时的shared_ptr。但它可以检查资源是否存在，在我们不想要额外控制资源但是又想检查资源是否存在的时候，可以使用weak_ptr。

何时用weak_ptr，以及为什么要用weak_ptr？

shared_ptr理论上可以自动释放内存，但是有一种特殊的情况可能会造成内存泄漏，就是环形依赖。上面的代码中，在main函数中，princinple是Teacher类型的共享指针，但是它的成员（school类型的共享指针）指向了School类型的university。然后School类型的university又指向了Teacher类型的principle，这样它们就互相指向对方了，就形成了一个环形依赖。

当我们运行上面的代码后，不会输出任何的语句，也就是principel和university指向的资源的没有被释放。这是因为当principel结束生命周期的时候，university还存在；当university结束生命周期的时候，principel也还存在，它们两个shared_ptr的引用计数仍然不为0，所以就不会自动删除物体。这两个物体循环引用锁死了，导致shared_ptr的引用计数不能正常降为0，这就造成了内存泄漏。而要解决这个问题就要使用weak_ptr。

weak_ptr的用法：

定义weak_ptr很简单，类似于shared_ptr和unique_ptr，但是初始化weak_ptr需要一个shared_ptr或weak_ptr，weak_ptr本身是依赖于shared_ptr存在的。当用weak_ptr来访问资源时，必须把它临时转换成一个shared_ptr。这也是weak_ptr的意义，用来获取临时管理权。weak_ptr本身存储的是对资源的引用，而且是一个非拥有的引用。意思就是weak_ptr不能删除对象本身，只能作为一个观察者，告诉你资源是否存在。weak_ptr指向的物体可以被其他的shared_ptr所删除，如果你想要weak_ptr来访问对象，就需要使用weak_ptr的lock方法，这个方法会返回一个shared_ptr，如果其指向的资源已经被释放了，就会返回一个nullptr。

如何解决上面环形依赖的问题，只需要把Teacher里的school改成weak_ptr就好了。