聊聊智能指针和所有权的问题

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 
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  
 
#include 
 
 
 
using namespace std; 
 
 
 
class Demo { 
    public: 
    ~Demo(){ 
        printf("执行析构函数"); 
    } 
 
}; 
 
 
template 
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 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 p(new Demo()); 
   SmartPoint 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  
 
#include 
 
 
 
using namespace std; 
 
 
 
class Demo { 
    public: 
    ~Demo(){ 
        printf("执行析构函数"); 
    } 
 
}; 
 
 
template 
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 p(new Demo()); 
   SmartPoint 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。