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大型项目的代码开发中会必然会面对一个臭名昭著的bug，堆内存正确管理。C/C++中没有垃圾回收的机制，指针没有办法控制堆空间的生命周期。当然，在现代操作系统中有较完善的内存回收机制，程序不运行情况下，其申请的对空间会被自动回收。但是，如果申请的空间在程序运行周期中被反复用在循环中且没有被合理释放，必然会引入内存空间的泄露问题。C++11开发库中引入一个重要的类模板 - 智能指针，其是自动内存 管理的主要手段，能够在很大程度上避开内存的相关问题。
1. 智能指针作用
++程序设计中使用堆内存是非常频繁的操作，堆内存的申请和释放都由程序员自己管理。程序员自己管理堆内存可以提高了程序的效率，但是整体来说堆内存的管理是麻烦的，C++11中引入了智能指针的概念，方便管理堆内存。使用普通指针，容易造成堆内存泄露（忘记释放），二次释放，程序发生异常时内存泄露等问题等，使用智能指针能更好的管理堆内存。
理解智能指针需要从下面三个层次：
- 从较浅的层面看，智能指针是利用了一种叫做RAII（资源获取即初始化）的技术对普通的指针进行封装，这使得智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。
- 智能指针的作用是防止忘记调用delete释放内存和程序异常的进入catch块忘记释放内存。另外指针的释放时机也是非常有考究的，多次释放同一个指针会造成程序崩溃，这些都可以通过智能指针来解决。
- 智能指针还有一个作用是把值语义转换成引用语义。
C++和Java有一处最大的区别在于语义不同，在Java里面下列代码：
Animal a = new Animal();
Animal b = a;你当然知道，这里其实只生成了一个对象，a和b仅仅是把持对象的引用而已。但在C++中不是这样，
Animal a;
Animal b = a;
这里却是就是生成了两个对象。2.智能指针的使用
智能指针在C++11版本之后提供，包含在头文件<memory>中，shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。
2.1 shared_ptr的使用
shared_ptr多个指针指向相同的对象。shared_ptr使用引用计数，每一个shared_ptr的拷贝都指向相同的内存。每使用他一次，内部的引用计数加1，每析构一次，内部的引用计数减1，减为0时，自动删除所指向的堆内存。shared_ptr内部的引用计数是线程安全的，但是对象的读取需要加锁。
- 初始化。智能指针是个模板类，可以指定类型，传入指针通过构造函数初始化。也可以使用make_shared函数初始化。不能将指针直接赋值给一个智能指针，一个是类，一个是指针。例如std::shared_ptr<int> p4 = new int(1);的写法是错误的。尽量使用make_shared()进行智能指针初始化。
- 拷贝和赋值。拷贝使得对象的引用计数增加1，赋值使得原对象引用计数减1，当计数为0时，自动释放内存。后来指向的对象引用计数加1，指向后来的对象。
- get函数获取原始指针
- 注意不要用一个原始指针初始化多个shared_ptr，否则会造成二次释放同一内存
- 注意避免循环引用，shared_ptr的一个最大的陷阱是循环引用，循环，循环引用会导致堆内存无法正确释放，导致内存泄漏。循环引用在weak_ptr中介绍。
#include <iostream>
#include <memory>int main() {{int a = 10;std::shared_ptr<int> ptra = std::make_shared<int>(a);std::shared_ptr<int> ptra2(ptra); //copystd::cout << ptra.use_count() << std::endl;int b = 20;int *pb = &a;//std::shared_ptr<int> ptrb = pb; //errorstd::shared_ptr<int> ptrb = std::make_shared<int>(b);ptra2 = ptrb; //assignpb = ptrb.get(); //获取原始指针std::cout << ptra.use_count() << std::endl;std::cout << ptrb.use_count() << std::endl;}
}2.2 unique_ptr的使用
unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。相比与原始指针unique_ptr用于其RAII的特性，使得在出现异常的情况下，动态资源能得到释放。unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。
new与new[]
①不要让auto_ptr和shared_ptr指向new[]申请的动态内存（除非为智能指针定义一个删除器）
原因：auto_ptr 和 shared_ptr 的默认释放内存方式是delete，如果动态对象是以new[] 形式创建的，比如数组，
就不要使用auto_ptr和shared_ptr，否则就会导致以delete形式去释放new[]申请的内存
一句话概括就是auto_ptr和shared_ptr只能指向new（除非为智能指针定义一个删除器）
② unique_ptr可以指向 new和new[] 申请的动态内存
#include <iostream>
#include <memory>int main() {{std::unique_ptr<int> uptr(new int(10)); //绑定动态对象//std::unique_ptr<int> uptr2 = uptr; //不能賦值//std::unique_ptr<int> uptr2(uptr); //不能拷貝std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr); //轉換所有權uptr2.release(); //释放所有权}//超過uptr的作用域，內存釋放
}2.3 weak_ptr的使用
weak_ptr是为了配合shared_ptr而引入的一种智能指针，因为它不具有普通指针的行为，没有重载operator*和->,它的最大作用在于协助shared_ptr工作，像旁观者那样观测资源的使用情况。weak_ptr可以从一个shared_ptr或者另一个weak_ptr对象构造，获得资源的观测权。但weak_ptr没有共享资源，它的构造不会引起指针引用计数的增加。使用weak_ptr的成员函数use_count()可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired()的功能等价于use_count()==0,但更快，表示被观测的资源(也就是shared_ptr的管理的资源)已经不复存在。weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr。
#include <iostream>
#include <memory>int main() {{std::shared_ptr<int> sh_ptr = std::make_shared<int>(10);std::cout << sh_ptr.use_count() << std::endl;std::weak_ptr<int> wp(sh_ptr);std::cout << wp.use_count() << std::endl;if(!wp.expired()){std::shared_ptr<int> sh_ptr2 = wp.lock(); //get another shared_ptr*sh_ptr = 100;std::cout << wp.use_count() << std::endl;}}//delete memory
}2.4 循环引用
考虑一个简单的对象建模——家长与子女：a Parent has a Child, a Child knowshis/her Parent，列表结构体也类似。在Java 里边很好写，不用担心内存泄漏，也不用担心空悬指针，只要正确初始化myChild 和myParent，那么Java 程序员就不用担心出现访问错误。一个handle 是否有效，只需要判断其是否non null。
public class Parent
{private Child myChild;
}
public class Child
{private Parent myParent;
}在C++ 里边就要为资源管理费一番脑筋。如果使用原始指针作为成员，Child和Parent由谁释放？那么如何保证指针的有效性？如何防止出现空悬指针？这些问题是C++面向对象编程麻烦的问题，现在可以借助smart pointer把对象语义（pointer）转变为值（value）语义，shared_ptr轻松解决生命周期的问题，不必担心空悬指针。但是这个模型存在循环引用的问题，注意其中一个指针应该为weak_ptr。原始指针的做法，容易出错
#include <iostream>
#include <memory>class Child;
class Parent;class Parent {
private://std::shared_ptr<Child> ChildPtr;std::weak_ptr<Child> ChildPtr;
public:void setChild(std::shared_ptr<Child> child) {this->ChildPtr = child;}void doSomething() {//new shared_ptrif (this->ChildPtr.lock()) {}}~Parent() {}
};class Child {
private:std::shared_ptr<Parent> ParentPtr;
public:void setPartent(std::shared_ptr<Parent> parent) {this->ParentPtr = parent;}void doSomething() {if (this->ParentPtr.use_count()) {}}~Child() {}
};int main() {std::weak_ptr<Parent> wpp;std::weak_ptr<Child> wpc;{std::shared_ptr<Parent> p(new Parent);std::shared_ptr<Child> c(new Child);p->setChild(c);c->setPartent(p);wpp = p;wpc = c;std::cout << p.use_count() << std::endl; // 2std::cout << c.use_count() << std::endl; // 1}std::cout << wpp.use_count() << std::endl; // 0std::cout << wpc.use_count() << std::endl; // 0return 0;
}如果不适用weak_ptr方式进行节点的智能指针管理，使用shared_ptr指针管理。对应的局部代码资源结束以后，main局部函数管理的智能指针节点释放过程具体如下。首先，释放只能指针c类，调用其析构函数，发现这个只能指针内部管理的空间child类除了自己引用还被p智能指针引用。因此，这个时候只会对引用数目进行减1操作，并将自己指针指向c空间断开。也就是说child类的地址空间并没有被释放掉，构成内存泄露。下一步，释放p智能指针。释放过程中发现，其指向的地址空间类不仅被自己引用，同时被child类地址内部的智能指针占用着。因此，这个时候只会将引用计数减1，并不会释放其内存空间，构成内存泄露。解决方式就是通过weak_ptr只进行管理，不产生引用的方式类实现智能指针的循环应用。
2.5. 线程安全
在线程函数thread_fcn的for循环中，2个线程同时对*global_instance进行加1的操作。这就是典型的非线程安全的场景，最后的结果是未定的，运行结果如下：*global_instance is 197240539
如果使用的是每个线程的局部shared_ptr对象local，因为这些local指向相同的对象，因此结果也是未定的，运行结果如下：*global_instance is 160285803
因此，这种情况下必须加锁，将thread_fcn中的第一行代码的注释去掉之后，不管是使用global_instance，还是使用local，得到的结果都是：*global_instance is 200000000
shared_ptr<long> global_instance = make_shared<long>(0);
std::mutex g_i_mutex;void thread_fcn()
{//std::lock_guard<std::mutex> lock(g_i_mutex);//shared_ptr<long> local = global_instance;for(int i = 0; i < 100000000; i++){*global_instance = *global_instance + 1;//*local = *local + 1;}
}int main(int argc, char** argv)
{thread thread1(thread_fcn);thread thread2(thread_fcn);thread1.join();thread2.join();cout << "*global_instance is " << *global_instance << endl;return 0;
}为什么多线程读写 shared_ptr 要加锁？
shared_ptr的引用计数本身是安全且无锁的，但对象的读写则不是，因为 shared_ptr 有两个数据成员（指向被管理对象的指针，和指向控制块的指针），读写操作不能原子化。根据文档(http://www.boost.org/doc/libs/release/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm#ThreadSafety)， shared_ptr 的线程安全级别和内建类型、标准库容器、std::string 一样，即：
• 一个 shared_ptr 对象实体可被多个线程同时读取（文档例1）；
• 两个 shared_ptr 对象实体可以被两个线程同时写入（例2），“析构”算写操作；
• 如果要从多个线程读写同一个 shared_ptr 对象，那么需要加锁（例3~5）。
请注意，以上是 shared_ptr 对象本身的线程安全级别，不是它管理的对象的线程安全级别。
本文具体分析一下为什么“因为 shared_ptr 有两个数据成员，读写操作不能原子化”使得多线程读写同一个 shared_ptr 对象需要加锁。这个在我看来显而易见的结论似乎也有人抱有疑问，那将导致灾难性的后果，值得我写这篇文章。本文以 boost::shared_ptr 为例，与 std::shared_ptr 可能略有区别。
1. shared_ptr 的数据结构
shared_ptr 是引用计数型（reference counting）智能指针，几乎所有的实现都采用在堆（heap）上放个计数值（count）的办法（除此之外理论上还有用循环链表的办法，不过没有实例）。具体来说，shared_ptr<Foo> 包含两个成员，一个是指向 Foo 的指针 ptr，另一个是 ref_count 指针（其类型不一定是原始指针，有可能是 class 类型，但不影响这里的讨论），指向堆上的 ref_count 对象。ref_count 对象有多个成员，具体的数据结构如图 1 所示，其中 deleter 和 allocator 是可选的。
图 1：shared_ptr 的数据结构。
为了简化并突出重点，后文只画出 use_count 的值：
以上是 shared_ptr<Foo> x(new Foo); 对应的内存数据结构。
如果再执行 shared_ptr<Foo> y = x; 那么对应的数据结构如下。
但是 y=x 涉及两个成员的复制，这两步拷贝不会同时（原子）发生。中间步骤 1，复制 ptr 指针：
中间步骤 2，复制 ref_count 指针，导致引用计数加 1：
步骤1和步骤2的先后顺序跟实现相关（因此步骤 2 里没有画出 y.ptr 的指向），我见过的都是先1后2。
既然 y=x 有两个步骤，如果没有 mutex 保护，那么在多线程里就有 race condition。
2. 多线程无保护读写 shared_ptr 可能出现的 race condition
考虑一个简单的场景，有 3 个 shared_ptr<Foo> 对象 x、g、n：
shared_ptr<Foo> g(new Foo); // 线程之间共享的 shared_ptr
shared_ptr<Foo> x; // 线程 A 的局部变量
shared_ptr<Foo> n(new Foo); // 线程 B 的局部变量
一开始，各安其事：
线程 A 执行 x = g; （即 read g），以下完成了步骤 1，还没来及执行步骤 2。这时切换到了 B 线程。
同时编程 B 执行 g = n; （即 write g），两个步骤一起完成了。先是步骤 1：
再是步骤 2：
这时 Foo1 对象已经销毁，x.ptr 成了空悬指针！
最后回到线程 A，完成步骤 2：
多线程无保护地读写 g，造成了“x 是空悬指针”的后果。这正是多线程读写同一个 shared_ptr 必须加锁的原因。当然，race condition 远不止这一种，其他线程交织（interweaving）有可能会造成其他错误。
3.智能指针的设计和实现
下面是一个简单智能指针的demo。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。
#include <iostream>
#include <memory>template<typename T>
class SmartPointer {
private:T* _ptr;size_t* _count;
public:SmartPointer(T* ptr = nullptr) :_ptr(ptr) {if (_ptr) {_count = new size_t(1);} else {_count = new size_t(0);}}SmartPointer(const SmartPointer& ptr) {if (this != &ptr) {this->_ptr = ptr._ptr;this->_count = ptr._count;(*this->_count)++;}}SmartPointer& operator=(const SmartPointer& ptr) {if (this->_ptr == ptr._ptr) {return *this;}if (this->_ptr) {(*this->_count)--;if (this->_count == 0) {delete this->_ptr;delete this->_count;}}this->_ptr = ptr._ptr;this->_count = ptr._count;(*this->_count)++;return *this;}T& operator*() {assert(this->_ptr == nullptr);return *(this->_ptr);}T* operator->() {assert(this->_ptr == nullptr);return this->_ptr;}~SmartPointer() {(*this->_count)--;if (*this->_count == 0) {delete this->_ptr;delete this->_count;}}size_t use_count(){return *this->_count;}
};int main() {{SmartPointer<int> sp(new int(10));SmartPointer<int> sp2(sp);SmartPointer<int> sp3(new int(20));sp2 = sp3;std::cout << sp.use_count() << std::endl;std::cout << sp3.use_count() << std::endl;}//delete operator
}