boost之内存管理

　　内存管理一直是令C++程序员最头疼的工作，C++继承了C那高效而又灵活的指针，使用起来稍微不小心就会导致内存泄露、野指针、越界访问等访问。虽然C++标准提供了只能指针std::auto_ptr，但是并没有解决所有问题。boost的smart_ptr库是对C++98标准的绝佳补充。它提供了六种智能指针，包括scoped_ptr、scoped_array、shared_ptr、shared_array、week_ptr、instrusive_ptr（不建议使用）。现在我们就学习一下这几种智能指针的使用方法和注意事项：

#include<boost/smart_ptr.hpp>
#include<boost/smart_ptr/scoped_ptr.hpp>
#include<boost/make_shared.hpp>
#include<boost/enable_shared_from_this.hpp>
#include<string>
#include<vector>
#include<cstdio>
using namespace std;
using namespace boost;
struct posix_file
{
    posix_file(const char* file_name)
    {
        cout<<"open file:"<<file_name<<endl;
    }
    ~posix_file()
    {
        cout<<"close file"<<endl;
    }
};
void any_func(void* p)
{
    cout<<"some operate"<<endl;
}
class self_shared : public enable_shared_from_this<self_shared>
{
public:
    self_shared(int n):x(n){}
    int x;
    void print()
    {
        cout<<"self_shared:"<<x<<endl;
    }
};
void ptr_test()
{
    /*scoped_ptr*/
    scoped_ptr<string> sp(new string("text"));
    cout<<*sp<<endl;
    cout<<sp->size()<<endl;
    //delete sp; 不需要delete
    //scoped_ptr<string> sp1(sp);  不允许，拷贝构造函数为私有
    //scoped_ptr<string> sp2 = sp; 不允许，赋值函数为私有
    //sp++; //错误，未定义++操作
    scoped_ptr<int> p(new int);
    if(p)  //在bool语境中测试指针是否有效
    {
        *p=100;    //可以向普通指针一样使用解引用操作符*
        cout<<*p<<endl;
    }
    p.reset();   //reset()置空scoped_ptr
    if(p==0)
    {
        cout<<"该指针为空"<<endl;
    }
    if(!p)  //在bool语境中测试，可以用!操作符
    {
        cout<<"该指针为空"<<endl;
    }
    //将在离开作用域是自动析构，从而关闭文件释放资源
    scoped_ptr<posix_file> fp(new posix_file("a.txt"));
    /*auto_ptr 和 scoped_ptr 区别*/
    auto_ptr<int> ap(new int(10));  //一个int的自动指针
    scoped_ptr<int> sp3(ap);  //从 auto_ptr 获得原始指针
    if(ap.get()==0)  //原auto_ptr不再拥有指针
    {
        cout<<"该指针为空"<<endl;
    }
    ap.reset(new int(20));   //auto_ptr 拥有新的指针
    cout<<*ap<<","<<*sp3<<endl;

    auto_ptr<int> ap2;
    ap2 = ap; //ap2从ap获得原始指针，发生所有权转移
    if(ap.get()==0) cout<<"该指针为空"<<endl; //ap不再拥有指针
    scoped_ptr<int> sp2;
    //sp2 = sp;    //赋值操作，无法编译通过

    /*scoped_array*/
    /*构造函数接受的指针p必须是new[]的结果，而不是new表达式的结果；*/
    /*没有*和->操作符重载，因为scoped_array持有的不是一个普通的指针*/
    /*析构函数使用delete[]释放资源，而不是delete*/
    /*提供operator[]操作符重载，可以向普通数组一样用下标访问元素*/
    /*没用begin()和end()等类似容器的迭代器操作函数*/
    /*不能拷贝不能赋值*/
    scoped_array<int> sa(new int[100]);  //包装动态数组
    sa[0] = 10;   /*调用[]重载函数 scoped_array 不提供数组索引的范围检查*/
    //*(sa+1) = 20; 错误用法
    int* arr = new int[100];  //一个整数的动态数组
    scoped_array<int> sa1(arr); //scoped_array 对象代理原始动态数组
    fill_n(&sa1[0],100,5);   //可以使用标准库算法赋值数据
    sa1[10] = sa1[20] + sa1[30]; //使用起来像普通数组
    /*不建议使用scoped_array*/

    /*shared_ptr*/
    /*shared_ptr是一个最像指针的“智能指针”，是boost.smart_ptr库中最有价值，最重要的组成部分*/
    /*shared_ptr与scoped_ptr一样包装了new操作符在堆上分配的动态对象，它实现的是引用计数型的智能指针，可以自由的拷贝和赋值，可以安全的放在标准容器中*/
    shared_ptr<int> spi(new int);     //一个int的shared_ptr
    if(!spi) cout<<"该指针为空"<<endl;  //在bool语境中隐式转换为bool值
    *spi=253;  //使用解引用操作符*
    shared_ptr<string> sps(new string("smart"));
    cout<<"该字符串长度："<<sps->size()<<endl;  //使用箭头操作符->
    shared_ptr<int> spi1(new int(10));
    if(spi1.unique()) cout<<"是该指针的唯一持有者"<<endl;
    shared_ptr<int> spi2 = spi1;  //调用拷贝构造函数
    //两个shared_ptr相等，指向同一个对象，引用计数为2
    cout<<"spi1:"<<spi1.use_count()<<",spi2:"<<spi2.use_count()<<endl;
    shared_ptr<int> spi3 = spi2;
    cout<<"spi1:"<<spi1.use_count()<<",spi2:"<<spi2.use_count()<<",spi3:"<<spi3.use_count()<<endl;
    *spi3=100;
    cout<<"*spi1="<<*spi1<<",*spi2="<<*spi2<<"*spi3="<<*spi3<<endl;
    spi3.reset();   //停止shared_ptr的使用
    cout<<"spi1:"<<spi1.use_count()<<",spi2:"<<spi2.use_count()<<",spi3:"<<spi3.use_count()<<endl;
    if(!spi3) cout<<"该指针为空"<<endl;
    /*shared_ptr工厂方法*/
    shared_ptr<string> sps1 = make_shared<string>("make_shared");
    shared_ptr<vector<int> > spv = make_shared<vector<int> >(10,2);
    cout<<"spv的大小："<<spv->size()<<endl;
    cout<<(*spv)[0]<<endl;
    /*shared_ptr应用与标准容器*/
    typedef vector<shared_ptr<int> > vs;
    vs v(10);
    int i=0;
    for(vs::iterator pos = v.begin();pos!=v.end();++pos)
    {
        (*pos) = make_shared<int> (++i);
        cout<<**pos<<endl;  //此处两次解引用，先获得shared_ptr，在获得其内的值
    }
    shared_ptr<int> pp = v[9];
    *pp = 100;
    cout<<*v[9]<<endl;
    shared_ptr<FILE> fp1(fopen("./1.txt","r"),fclose); //带有删除器的shared_ptr,析构的时候调用fclose关闭内部的指针
    /*shared_ptr<void>*/
    shared_ptr<void> vp((void*)0,any_func);  //容纳空指针，定制删除器

    /*shared_array*/
    /*shared_array构造函数接受的指针p必须是new[]的结果，而不能是new表达式的结果*/
    /*shared_array提供operator[]操作符重载，可以像普通数组一样访问元素*/
    /*没有*和->操作符重载，因为shared_array持有的不是一个普通指针*/
    /*析构函数使用delete[]释放资源，而不是delete*/
    int* ip = new int[100];
    shared_array<int> sar(ip);
    shared_array<int> sar1 = sar;
    sar[0]=10;  //shared_array不提供数组索引的范围检查
    cout<<"sa[0]="<<sar[0]<<",sar1[0]="<<sar1[0]<<endl;
    /*shared_array可以用shared_ptr<std::vector>或者std::vector<shared_ptr>来代替*/

    /*week_ptr*/
    /*weak_ptr是配合shared_ptr而引入的一种智能指针，没有重载operator*和->*/
    /*weak_ptr充当一个观察者，观察指针的引用计数，在构造和析构的时不会引起引用计数的变化*/

    shared_ptr<int> spp(new int(10));
    cout<<"该指针的引用计数："<<spp.use_count()<<endl;
    weak_ptr<int> wp(spp);  　　　　　　　　 //从shared_ptr创建weak_ptr
    cout<<"该指针的引用计数："<<wp.use_count()<<endl;
    if(!wp.expired())       　　　　　　　　 //判断week_ptr观察的对象是否失效
    {
        shared_ptr<int> spp1 = wp.lock();  //获得一个shared_ptr
        *spp1 = 100;
        cout<<"该指针的引用计数："<<wp.use_count()<<endl;
    }
    cout<<"该指针的引用计数："<<wp.use_count()<<endl;
    wp.reset();
    //if(!wp) cout<<"该指针无效"<<endl; 没有重载！操作符
    if(wp.expired()) cout<<"该指针无效"<<endl;
    if(!wp.lock()) cout<<"获取指针失败"<<endl;
    /*week_ptr的的一个重要用途就是获得this指针的shared_ptr，使对象自己能够生产shared_ptr管理自己*/
    shared_ptr<self_shared> ssp = make_shared<self_shared>(314);
    ssp->print();
    shared_ptr<self_shared> ssp1 = ssp->shared_from_this();
    ssp1->x=1000;
    ssp1->print();
    //警告：不能从一个普通的对象（非shared_ptr）使用shared_from_this()获取shared_ptr,例如：
    //self_shared ss;
    //shared_ptr<self_shared> ssp3 = ss.shared_from_this();
    /*以上语法上没问题，可以编译通过，但在运行时导致shared_ptr析构时企图删除一个栈上分配的对象，发生未定义行为*/

}

 　　pool库是Boost程序库在内存管理方面提供的另一个有用的工具，它实现了高效的内存池，用于管理内存资源。pool提供了pool、object_pool、singleton_pool、pool_alloc四种形式的内存池。

struct demo_class
{
public:
    int a,b,c;
    demo_class(int x=1,int y=2,int z=3) : a(x),b(y),c(z){}
};
typedef singleton_pool<demo_class,sizeof(int)> sp1; //第一个参数仅仅作为标记，第二个参数每次分配的内存块大小
void pool_test()
{
    /*boost.pool库基于简单分隔存储思想实现了一个快速紧凑的内存池库，
     * 不仅能够管理大量的对象的分配/释放小对象很有效，而且不需要delete
     * pool库包括四个组成部分：最简单的pool，分配类实例的 object_pool，
     * 单件内存池singleton_pool和可用标准库pool_alloc*/
    pool<> p1(sizeof(int));  //使用默认分配器分配一个可分配的int的内存池 sizeof(int)为一次欲分配的内存块大小
    int * p = (int*)p1.malloc(); //需要把void*转换为需要的类型
    if(p1.is_from(p)) cout<<"是从该pool分配的内存"<<endl;
    p1.free(p);  //释放内存池分配的内存快
    for(int i=0;i<100;i++)  //连续分配大量的内存
    {
        p1.ordered_malloc(10); //该函数分配的同时合并空闲快链表
    }

    /*object_pool使用于类实例的内存池，它的功能与pool类似，但在析构时对所有已经分配的内存快调用析构函数*/
    object_pool<demo_class> p2; //对象对象内存池

    demo_class* dp = (demo_class*)p1.malloc();
    if(p2.is_from(dp)) cout<<"从该内存池分配的内存"<<endl;
    //p指向的内存未经过初始化
    cout<<dp->a<<","<<dp->b<<","<<dp->c<<endl;

    dp = p2.construct(7,8,9);  //构造一个对象，可以传递参数
    cout<<dp->a<<","<<dp->b<<","<<dp->c<<endl;
    object_pool<string> pls;  //定义一个分配string对象的内存池
    for(int i=0;i<10;i++)  //连续分配大量的string对象
    {
        string * ps = pls.construct("hello object_pool");
        cout<<*ps<<endl;
    }
    /*singleton_pool是一个单件内存池，不需要声明singleton_pool实例，直接用::来调用静态成员函数*/
    int * pi1 = (int*) sp1::malloc();
    if(sp1::is_from(pi1)) cout<<"是该内存池分配的内存"<<endl;
    sp1::release_memory();

    /*pool_alloc提供了两个可以用于标准容器模板参数的内存分配器，
     * 分别是pool_alloc和fast_pool_allocator，除了有特别的需求，
     * 我们应该总是使用STL实现自带的内存分配器，使用pool_alloc需要经过仔细的测试，以保证它与容器共同工作
     * */
    vector<int,pool_allocator<int> > v;
    v.push_back(10);
    cout<<v.size()<<v[0]<<endl;
}