Day7-1 智能指针雏形：独占语义与共享语义

1. 独占语义与共享语义

在 C++ 中，拷贝构造的语义可以分为独占语义和共享语义。

• 独占语义（Unique Ownership）：每个对象拥有一块独立的内存，拷贝时进行深拷贝。
• 共享语义（Shared Ownership）：多个对象共享同一块内存，拷贝时进行浅拷贝，通常需要引用计数来管理资源。

C++ 标准库提供了 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 来实现这两种语义。

1.1 Circle 类：示例类

Circle 类是一个普通的对象类，包含构造函数、析构函数、成员变量和方法。

// Circle.h
#pragma once
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

//关键字
//const
const int global_a = 10;
//static
static int s_b = 10;
//extern
extern int SIZE = 10;
//三者的用途：const 修饰常量，static 修饰全局变量，extern 修饰外部变量

class Circle
{
public:
    Circle(double r = 0)
        : _r(r)
    {
        cout << "Circle(double r = 0)" << endl;
    }

    Circle(double r, char* name)
        : _r(0), _name(new char[strlen(name) + 1])
    {
        strcpy_s(_name, strlen(name) + 1, name);
        cout << "Circle(double r, char* name)" << endl;
    }

    ~Circle()
    {
        cout << "~Circle()" << endl;
        delete[] _name;
    }

    double getRadius() const { return _r; }
    void setRadius(double r) { _r = r; }
    double getArea() const { return M_PI * _r * _r; }

private:
    double _r;
    char* _name;
};

---

2. 拷贝构造：独占语义（Unique Ownership）

UniqueClass 实现了独占语义，即对象的拷贝会创建新的独立对象，保证每个对象都拥有独立的内存。

// ShareClass.h
class UniqueClass
{
    int times = 0;
public:
    UniqueClass(int a)
        : _data(new int(a))
    {
    }
    
    ~UniqueClass()
    {
        delete _data;
        _data = nullptr;
    }

    // 深拷贝构造函数
    //UniqueClass(const UniqueClass& rhs)
	//	：_data(new int(*rhs.data))
	//{
	//	cout << "Call desctructor";
	//	times++;
	//	cout << times << endl;
	//}


	//在这段代码中，rhs 不是指针，而是一个 UniqueClass 类型的引用。
	// *rhs._data 是对 rhs 对象的 _data 成员指针进行解引用。
	UniqueClass(const UniqueClass& rhs)
		: _data(new int(*rhs._data)) // 修复了错误的冒号和成员变量名称
	{
		cout << "Call constructor";
		times++;
		cout << times << endl;
	}

	  /*
		1.	UniqueClass(const UniqueClass & rhs) 是 UniqueClass 的拷贝构造函数。它接受一个 UniqueClass 类型的常量引用 rhs 作为参数。
		2.	: _data(new int(*rhs._data)) 是成员初始化列表的一部分。它的作用是初始化 _data 成员变量。
		3.	rhs._data 是对 rhs 对象的 _data 成员指针的访问。
		4. * rhs._data 是对 rhs._data 指针的解引用，获取指针指向的整数值。
		5.	new int(*rhs._data) 创建了一个新的 int 对象，并将 * rhs._data 的值复制到这个新的 int 对象中。然后将新创建的 int 对象的指针赋值给 _data 成员变量。
		这样做的目的是在拷贝构造函数中为新对象分配一个新的内存空间，并将原对象的 _data 成员
		指针指向的值复制到新对象的 _data 成员指针指向的内存中。这确保了每个 UniqueClass 对象
		都有自己独立的 _data 内存空间，避免了多个对象共享同一块内存，从而防止潜在的内存管理问题。
		*/


	/*传入的参数可以修改，修改后不可以再使用，最好当成右值使用*/
	//移动构造函数的写法(C++11 移动构造函数，接受右值)
		// 拷贝指针，并断掉源对象对内存的引用（置空）
		// 如果传入参数本身是右值，没有任何副作用，因为调用结束，它就不在了
		// 但传入的如果是个左值转换来的右值，那要注意，充当了右值，右值的语义就是临时的，
		// 转瞬即时的，所以这个左值也应看成已逝的事物，不可以再使用
	UniqueClass(UniqueClass&& rhs)
		:_data(rhs._data)
	{
		rhs._data = nullptr;
	}

	// C++11 移动赋值运算符，接受右值，和移动构造同理
	UniqueClass& operator=(UniqueClass&& rhs)
	{
		_data = rhs._data;
		rhs._data = nullptr;
	}

private:
    int* _data;
};

2.1 代码解析

• 拷贝构造函数：创建新对象时，为 _data 申请新的内存，保证对象的独占性。
• 移动构造函数：从右值拷贝指针，并将原对象的指针置空，避免重复释放内存。
• 移动赋值运算符：清理当前对象的内存，然后从右值拷贝指针，并清空右值的指针。

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3. 拷贝构造：共享语义（Shared Ownership）

SharedClass 采用引用计数管理共享的内存。

class SharedClass
{
public:
    static int count; // 静态引用计数
    int* _data;

    SharedClass(int a) : _data(new int(a)) {}
	// 拷贝构造，拷贝指针，增加引用计数
    SharedClass(const SharedClass& r)
        : _data(r._data)
    {
        count++;
    }
    
    // 拷贝赋值，拷贝指针，增加引用计数
    SharedClass& operator=(const SharedClass& r)
    {
        if (this != &r)
        {
            _data = r._data;
            count++;
        }
        return *this;
    }

    // 析构时注意减少引用计数，归0时释放堆内存
    ~SharedClass()
    {
        --count;
        if (count == 0)
        {
            delete _data;
        }
    }
};

int SharedClass::count = 1;

3.1 代码解析

• 引用计数 count：确保多个对象共享同一块内存。
• 拷贝构造函数：增加引用计数。
• 析构函数：当 count == 0 时，释放 _data。

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4. 智能指针 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr

C++ 提供 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr，分别对应独占语义和共享语义。

void testSmartPointer()
{
    std::unique_ptr<int> unique1 = std::make_unique<int>(10);
    // std::unique_ptr<int> unique2 = unique1; // 错误：无法复制 unique_ptr

    std::shared_ptr<int> share1 = std::make_shared<int>(10);
    std::shared_ptr<int> share2 = share1;
    cout << "share2 use_count() = " << share2.use_count() << endl;
}

4.1 代码解析

• std::unique_ptr 禁止拷贝，确保对象独占内存。
• std::shared_ptr 可以拷贝，使用引用计数管理内存。

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5. 移动语义（Move Semantics）

void testMoveSemantic()
{
	UniqueClass u1(10);
	cout << "u1.data = " << u1._data << endl; 
	cout << "*(u1)._data = " << * (u1)._data << endl; 

	//UniqueClass u2 = (UniqueClass&&)u1;
	//等价于
	UniqueClass u2 = std::move(u1);// move将uc1这个左值转为右值，即(UniqueClass&&)uc1;
	cout << "u2.data = " << u2._data << endl;
	cout << "*(u2)._data = " << *(u2)._data << endl;


	if (u1._data = nullptr)
	{
		cout << "u1 is gone " << endl;
	}
}

5.1 代码解析

• std::move(u1) 将 u1 变为右值，调用移动构造函数。
• u1._data = nullptr，原对象 u1 失效。

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总结

方式	语义	内存管理	适用场景
std::unique_ptr	独占	不能拷贝	资源独占，如文件句柄
std::shared_ptr	共享	计数管理	共享资源，如缓存
拷贝构造	独占/共享	深拷贝/浅拷贝	具体需求
移动构造	独占	资源转移	避免临时对象开销

通过这些方法，我们可以更高效地管理 C++ 中的资源分配和释放，避免内存泄漏和重复释放。

深拷贝（独占）

• 拷贝的是 值，拷贝后 新对象与源对象完全独立。
• 析构一方 不影响 另一方。

浅拷贝（共享）

• 拷贝的是 指针/引用，拷贝后 新对象与源对象共享同一份内存。
• 析构一方后 另一方会受到影响。

为了防止 重复 delete，需要引入 引用计数，只有当 没有任何对象引用这块堆内存时，才释放它。

std::shared_ptr 实现的思路：

std::shared_ptr 通过 内部的引用计数 记录有多少个 shared_ptr 共享同一块内存，只有当 引用计数归零时，才释放资源。

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

void sharedPtrDemo()
{
	shared_ptr<int> p1 = make_shared<int>(10);
	{
		shared_ptr<int> p2 = p1;
		cout << "引用计数: " << p1.use_count() << endl;
	} // p2 作用域结束，引用计数减少
	cout << "引用计数: " << p1.use_count() << endl;
}