1、智慧指標的原理及作用 

       C++程式中不僅包含靜態記憶體和棧記憶體，還有一個記憶體池，記憶體池中的記憶體被稱為自由空間或者堆。程式通常使用堆來儲存動態分配的物件（程式執行時分配的物件），當動態物件不再被使用時，程式碼必須顯式的將它們銷燬。動態記憶體的管理是通過運算子new和delete完成的。

new運算子：在動態記憶體中為物件分配一塊空間並返回一個指向該物件的指標。

int i;

int *p0 = &i;

int *p1 = new int; //指向一個動態分配的、未初始化的無名物件

int *p2 = new int(2); //*p2初始化值為2

int *p3 = new int[1000]; //申請1000個單位的記憶體空間
 

delete運算子：指向一個動態物件的指標，銷燬物件並釋放與其相關聯的記憶體。在delete之後，指標變成了懸空指標（指向一塊曾經儲存資料物件但現在已經無效的記憶體地址）。想要避免懸空指標，需要在delete之後將nullptr賦值給指標變數，這樣就清楚的指出指標不指向任何物件。

delete p0; //error, p0指標不是用new動態申請的

delete p1;
p1 = nullptr;

delete p2;
p2 = nullptr;

delete[] p3; //在用new申請時用了[]，所以在delete時也要用[]

使用new和delete運算子進行動態記憶體的管理雖然可以提高程式的效率，但是也非常容易出問題。

      （1）忘記釋放記憶體，造成記憶體洩漏

      （2）在尚有指標引用記憶體的情況下就將其釋放，產生引用非法記憶體的指標

      （3）程式發生異常後進入catch忘記釋放記憶體以及多次釋放同一塊記憶體，造成記憶體洩漏

       為了讓動態記憶體的使用更加安全、簡便，C++引入了智慧指標的概念。什麼是智慧指標？智慧指標是借用RAII技術對普通指標進行封裝，其實質是一個物件，行為表現為一個指標，也就是智慧的管理動態記憶體的釋放。那RAII技術具體又是什麼呢？RAII技術（Resource Acquisition Is Initialization），也稱為“資源獲取就是初始化”，是C++語言的一種管理資源、避免洩漏的慣用法。使用類來封裝資源的分配和初始化，在建構函式中完成資源的分配和初始化，在解構函式中完成資源的清理，可以保證正確的初始化和資源釋放。     

2、智慧指標的分類和使用

      C++11版本之後提供的智慧指標包含在標頭檔案<memory>中，分別是auto_ptr、shared_ptr、unique_ptr、weak_ptr。其中auto_ptr已被棄用，所以這裡不再贅述。

2.1  shared_ptr

      shared_ptr是一種強引用指標，允許多個指標指向相同的物件，是一個標準的共享所有權的智慧指標。每個shared_ptr都會有一個計數器與之相關聯，通常稱其為引用計數。下面，我們簡單介紹下shared_ptr的用法：

（1）初始化

    可以使用建構函式初始化（指定型別，傳入指標即可），也可以使用make_shared函式初始化（最安全的方法，推薦使用）

std::shared_ptr<T> sp; //空shared_ptr，可以指向型別為T的物件

std::shared_ptr<int> sp(new int(5)); //指定型別，傳入指標通過建構函式初始化

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(5); //使用make_shared函式初始化

//智慧指標是一個模板類，不能將一個原始指標直接賦值給一個智慧指標，因為一個是類，一個是指標
std::shared_ptr<int> sp = new int(1); //error

//shared_ptr不能直接支援動態陣列，需要顯示指定刪除器

std::shared_ptr<int> sp(new int[10], [](int* p){delete[] p;}); //指定delete[]

std::shared_ptr<int> sp(new int[10], std::default_delete<int[]>()); //指定std::default_delete

（2）拷貝和賦值

       當拷貝一個shared_ptr時，內部的引用計數加1；當給shared_ptr賦值或shared_ptr被銷燬時，內部的引用計數減1；當引用計數減為0時將會自動釋放自己所管理的物件。

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(5); //sp指向的int物件只有一個引用者，引用計數為1
std::shared_ptr<int> spCopy(sp); //spCopy是sp的拷貝，此操作會遞增sp指向物件的引用計數

std::shared_ptr<int> sp1 = std::make_shared<int>(6);
sp = sp1; //給sp賦值，使它指向另一個地址，此操作會遞增sp1指向物件的引用計數，遞減sp原來指向物件的引用計數

（3）自動釋放所管理的物件以及相關聯的記憶體

      shared_ptr是通過其解構函式來完成自動釋放的工作。shared_ptr的解構函式會遞減其所指向物件的引用計數，當引用計數變為0時，解構函式就會銷燬物件並釋放其所佔用的記憶體。注意：若將shared_ptr存放於一個容器中，而後只使用其中部分元素，不再需要全部元素時，千萬記得用erase刪除不在需要的那些元素。

（4）和普通指標的混合使用

2.2  unique_ptr

       顧名思義，unique_ptr唯一擁有其所指的物件，在同一時刻只能有一個unique_ptr指向給定物件，因此unique_ptr不支援普通的拷貝和賦值操作。下面，我們簡單介紹下unique_ptr的用法：

（1）初始化

       unique_ptr不像shared_ptr一樣擁有make_shared函式來建立一個shared_ptr例項。因此我們需要將一個new操作符返回的指標傳遞給unique_ptr的建構函式來完成初始化。unique_ptr提供了對動態陣列的支援，指定刪除器是一個可選項。

std::unique_ptr<T> up; //空unique_ptr，可以指向型別為T的物件，up會使用delete來釋放它的指標

std::unique_ptr<int> up(new int(5)); //繫結動態物件

std::unique_ptr<int[]> up(new int[5]); //可選擇是否指定刪除器

（2）拷貝和賦值

      unique_ptr沒有copy建構函式，不支援普通的拷貝和賦值操作；但卻提供了一種移動機制來將指標的所有權從一個unique_ptr轉移給另一個unique_ptr（使用std::move函式，也可以呼叫release或reset）。

std::move：獲取一個繫結到左值上的右值引用

u.release：u放棄對指標的控制權，返回指標，並將u置為空

u.reset：釋放u指向的物件

u.reset(q)：如果提供了內建指標q，令u指向這個物件，否則將u置為空

std::unique_ptr<int> up(new int(5));

std::unique_ptr<int> upCopy(up); //error，不能拷貝

std::unique_ptr<int> upAssign = up; //error，不能賦值

std::unique_ptr<int> upMove = std::move(up); //轉移所有權

std::cout << *up << std::endl; //error，up經過std::move後為空

std::unique_ptr<int> up1(new int(5));

std::unique_ptr<int> up2(up1.release()); //up2被初始化為up1原來儲存的指標，且up1置為空

std::unique_ptr<int> up3(new int(6));

up2.reset(up3.release()); //reset釋放了up2原來指向的記憶體，指向up3原來儲存的指標，且將up3置為空

（3）使用場景

      unique_ptr適用範圍比較廣泛，它可返回函式內動態申請資源的所有權；可在容器中儲存指標；支援動態陣列的管理。

std::unique_ptr<int> CloneUniquePtr(int p)
{
    std::unique_ptr<int> up(new int(p));
    return up; //返回unique_ptr
}

int main()
{
    //返回函式內動態申請資源的所有權，函式結束後，自動釋放資源
    int p = 5;
    std::unique_ptr<int> up = CloneUniquePtr(p);
    std::cout << *up << std::endl;

    //在容器中儲存指標
    std::vector<std::unique_ptr<int>> vecIntPtr;
    std::unique_ptr<int> up1(new int(5));
    vecIntPtr.push_back(std::move(up1)); //注意要使用std::move

    //支援動態陣列
    std::unique_ptr<int[]> up2(new int[5] {1, 2, 3, 4, 5});
    up2[0] = 0; //過載了operation[]
}

2.3  weak_ptr

       weak_ptr是一種弱引用指標，它是伴隨shared_ptr而來的，不具有普通指標的行為。它主要是解決了shared_ptr引用計數的問題：在迴圈引用時會導致記憶體洩漏的問題。

（1）初始化

      weak_ptr指向一個由shared_ptr管理的物件，將一個weak_ptr繫結到一個shared_ptr不會改變shared_ptr的引用計數。

std::weak_ptr<T> wp; //空weak_ptr，可以指向型別為T的物件

std::weak_ptr<int> wp(new int(5)); //使用weak_ptr物件構造

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(6);
std::weak_ptr<int> wp(sp); // 使用shared_ptr物件構造

（2）成員函式

wp.use_count():與該wp共享的shared_ptr的數量

wp.expired():如果wp.use_count() == 0，返回true，否則返回false

lock():如果wp.expired()為true，返回一個空shared_ptr，否則返回一個指向wp物件的shared_ptr

成員函式的使用如下：

std::shared_ptr<int> sp = std::make_shared<int>(5);
std::weak_ptr<int> wp(sp);
std::cout << wp.use_count() << std::endl;

if(!wp.expired())
{
    std::shared_ptr<int> sp2 = wp.lock();
    std::cout << *sp2 << std::endl;
}