智能指针和所有权

在编程语言中，对堆对象的内存管理是一个麻烦又复杂的问题。一不小心就会带来问题，比如JS里一直引用一个已经不使用的对象导致gc无法回收，或者C 里多个变量指向同一块内存导致重复释放。本文简单探讨一下关于对象所有权的问题。

对象的所有权意味着当我们分配一个对象的时候，谁持有这个对象的所有权，比如下面代码。

Object *obj = new Object();

那么obj就持有了对象的所有权。但是现实往往比较复杂，比如我们看看下面代码。

#include<stdio.h>

using namespace std;

class Demo {
public:
~Demo(){
printf('执行析构函数');
}};void test() {

Demo *d = new Demo();

}

int main(){

test();

return 0;

}

执行上面的代码，我们在test函数里分配一个堆对象，执行完test后我们发现Demo对象的析构函数并没有执行，这就造成了内存泄漏。那我们需要怎么做呢？我们需要收到释放对象对应的内存。修改一下test函数的代码。

void test() {
Demo *d = new Demo();

delete d;

}

这时候我们发现就会输出执行析构函数几个字了，说明析构函数被执行，对象的内存也被释放了。手动管理内存不仅麻烦，而且往往容易出错，比如我们往往会忘了释放，尤其是代码逻辑复杂的时候。这时候，我们可以使用智能指针解决这个问题。

#include <iostream>

#include<stdio.h>

using namespace std;

class Demo {
public:
~Demo(){
printf('执行析构函数');

}

};

template<class T>
class SmartPoint
{
T* point;
public:
SmartPoint(T *ptr = nullptr) :point(ptr) {}

~SmartPoint() {
if (point) {
// 会调用point指向对象的的析构函数
delete point;
}
}
// 使用智能指针就像使用内部包裹的的对象一样
T& operator*() {
return *point;
}

T* operator->() {
return point;

}

};

void test() {

SmartPoint<Demo> p(new Demo());

}

int main(){

test();

return 0;

}

智能指针的原理比较简单，因为智能指针对象是在栈上面分配的，离开作用域的时候会被自动释放，然后在智能指针的析构函数里释放包裹的内部对象。看起来是很完美的解决方案。但是智能指针也带来了一些问题，那就是在复制或赋值的时候。我们看看代码。

int main(){
SmartPoint<Demo> p(new Demo());
SmartPoint<Demo> p2 = p;

return 0;

}

执行下面代码会导致core dump，为什么呢？我们来看看这个过程。当执行p2=p的时候会导致p2和p的内部指针point都指向了Demo对象的地址，最后代码执行完毕后，两个智能指针都执行了释放内存的操作，重复释放内存导致了core dump。那如何解决这个问题呢？一种方式是复制一份point指向的内存，但是我们可能不知道这个内存多大，无法复制，另一种方式就是所有权转移。我们继续看代码。

#include <iostream>

#include<stdio.h>

using namespace std;

class Demo {
public:
~Demo(){
printf('执行析构函数');

}

};

template<class T>
class SmartPoint
{
T* point;
public:
SmartPoint(T *ptr = nullptr) :point(ptr) {}
// 实现复制构造函数
SmartPoint(SmartPoint & p) {
// 指向p.point对应的内存
point = p.point;
// p.point置null
p.point = nullptr;
}
~SmartPoint() {
if (point) {
// 会调用point指向对象的的析构函数
delete point;
}
}
// 使用智能指针就像使用内部包裹的的对象一样
T& operator*() {
return *point;
}

T* operator->() {
return point;

}

};

int main(){

SmartPoint<Demo> p(new Demo());
SmartPoint<Demo> p2 = p;

return 0;

}

我们实现了一个复制构造函数，在main里执行p2=p时会被执行，在复制构造函数中，我们实现了所有权转移，这时候p2时Demo对象的持有者，而p指向null，这时候不能再对p进行操作。这时候我们可以在SmartPoint中实现一个isNull函数用于判断智能指针的有效性。

bool isNull() {
return point == nullptr;
}

然后在使用的地方加一下判断。

if (p.isNull()) {

//

}

这显然很麻烦。我们看看Rust怎么做。

struct Demo(u32);

fn main() {
let _box1 = Box::new(Demo(1));
// 所有权转移
let _box2 = _box1;
// 报错

println!('{}', _box1.0);

}

编译上面代码会报错，是编译而不是运行，这就是Rust，在编译期就解决了这个问题。Box是智能指针，以上代码和刚才C 中的代码类似，当执行_box2=_box1的时候，堆对象的所有权就转移到了_box2，_box1相当于包裹了一个空指针，而Rust不允许你再访问_box1管理里的内存。