# 【C++】Smart Pointer 智慧指標筆記

## Smart Pointers

在 `C++11` 中的標準模板庫 ( STL，為了要解決**記憶體洩漏問題 ( Memory Leak )** 的問題，便引進了 Smart Pointer 來更方便管理記憶體，如果要使用 Smart Pointer 就要使用標頭檔案為 `<memory>`

> Smart Pointers enable automatic, exception-safe, object lifetime management.
> [cppreference](https://en.cppreference.com/w/cpp/memory)

:::danger
如果在 `free` 跟 `delete` 前程式碼就因為 Error 而結束，造成記憶體沒有釋放，對於系統穩定性造成一定程度的危害
:::

嚴格上來說智慧指標是由**模板類別**來進行實作，可以參考
> [unique_ptr.h](https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc%2B%2B-v3/include/bits/unique_ptr.h#L271)
> [shared_ptr.h](https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc%2B%2B-v3/include/bits/shared_ptr.h#L534)


👉[C 語言程式記憶體配置概念](/byDxZ7bCRAaCTDUYTjP66w)

## `std::unique_ptr`

`unique_ptr` 是一種smart pointer，並且確保 `unique_ptr` 的所指向的物件只會被一個智慧指標進行管理，當超出作用域時變自動進行銷毀

### Declare

宣告 `unique_ptr` 有以下兩種方法
* 在 `C++11` ，使用 `std::unique_ptr<T> ptr(new T(...));`
* 在 `C++14` ，使用 `std::make_unique<T>(Args&& ... args)`

class A{
public:
    A(){std::cout << "A created" << std::endl;}
    ~A(){ std::cout << "A destroyed" << std::endl;}
};
int main()
{
    std::cout << "Example 1" << std::endl;
    {
        std::unique_ptr<A> aInst1(new A()); // C++11
        std::unique_ptr<A> aInst2 = std::make_unique<A>(); // C++14
    }
    std::cout << "Example 1 out of scope" << std::endl;
    return 0;
}

* 以下例子為嘗試將 `unique_ptr` 進行賦值動作，在編譯時期就會出錯! 原因是因為在其模板函數的實作中，已經將賦值的 operator 禁用了
* 如果需要轉移 `unique_ptr` 的 ownership，就需要使用 `std::move`，移動完成後本來的`aInst`就會是空指標

std::unique_ptr<A> otherA;
std::unique_ptr<A> aInst = std::make_unique<A>(); // C++14
otherA = aInst;             // error: use of deleted function 
otherA = std::move(aInst);  // success

## `std::shared_ptr`

`shared_ptr` 是一種可以共享同一個資源的智慧指標，內部會記錄這份資源被使用的次數 (Reference Counter) ，只要還有 `shared_ptr` 指向的物件存在時、資源就不會釋放；只有當所有使用這份資源的 shared_ptr 物件都消失的時候，資源才會被自動釋放
* 初始化
Reference Counter設為 1
* 拷貝或附值
Reference Counter會加 1
* Reset
Reference Counter設為 0

### Declare

* 在 `C++11` ，使用 `std::shared_ptr<T> ptr(new T(...));`
* 在 `C++14` ，使用 `std::make_shared<T>(Args&& ... args)`

#include <iostream>
#include <memory>

#define watch(shPtr) std::cout << "get: " << shPtr.get() << " use_count: " << shPtr.use_count() << std::endl

class A {
public:
    A(){std::cout << "A created" << std::endl;}
    ~A(){ std::cout << "A destroyed" << std::endl;}
};

int main()
{
    std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
    watch(a);
    std::shared_ptr<A> otherA = a;
    watch(a);
    watch(otherA);
    return 0;
}

## `std::weak_ptr`

搭配 `shared_ptr` 使用的smart pointer，和 `shared_ptr` 的不同點在於 `weak_ptr` 不會影響資源被使用的次數，也就是說的 `weak_ptr` 存在與否不代表資源會不會被釋放掉，而 `weak_ptr` 只是用來檢測記憶體是否正確被釋放


## Smart Pointer Operator
* `a->b` = `(*a).b` : 用於取得智慧指標的屬性或方法
* `(*ptr)` and `ptr.get()` : 取得智慧指標中的**指向物件的原生指標**，回傳 Reference ，不影響智慧指標，使用場景通常為將指向物件只有要被使用，但不改變內部狀態時候傳入使用，避免造成循環引用造成記憶體洩漏

## Ownership 擁有權
藉由動態配置 ( 例如通過 `new` 或 `std::make_unique` 創建的物件 ) 的物件或函數都會由一個管理者，負責在物件不再需要的時候將物件刪除，而所有權是可以共享的，也就是可以將物件或函數傳遞到下一個管理者，而最後一個管理者要負責將物件刪除，也就是物件或函數創建與刪除，是有可能在不同管理者之間執行的，造成管理記憶體的難處

## 動態分配物件的傳遞方式

### 傳遞引用或指標
分配物件的程式碼（例如一個類別）負責管理物件的生命週期，其他程式碼只「借用」該物件，因此我們可以透過引用方式來「借用」該物件，分為 `const Type&` 與 `Type&` 或者 `const Type*` 與 `Type*`，優點就是避免不必要的複製開銷、同時管理權限分明，誰創建誰就負責銷毀，借用者沒有資格去銷毀該借用物件，上面有看到有時候用常數引用或者引用，則是端看借用者是否需要修改該物件狀態，如果有則不能使用常數引用或指標

:::info
* 引用無法使用空指標，如果該物件有可能不存在，請用指標
* 請確保借用的程式碼所使用物件期間，該物件都存在，不會突然被銷毀
:::

### 傳遞副本

基本上小型物件或者配置檔案，都可以用複製的，或者該類別需要長期持有該物件

## 結論

如果需要動態配置的話，儘可能把所有權保持在配置記憶體的那段程式碼中。如果其他地方也需要存取該物件的話，考慮複製一份物件，或是傳遞物件的指標 (Raw Pointer) 或 reference `&` 方式，不要傳遞所有權。如要真的要轉移所有權 (Ownership) 最好使用 `std::unique_ptr` 明確表達所有權的轉移，至於是否要複製或者傳遞原指標則需要考量多個因素進而影響實作

## 以 Status Pattern 狀態設計模式
以狀態設計模式為例，我們可以透過 `Context` 管理各個狀態所需要的資源，並藉由原始指標 (Raw pointer) 方式傳入到 `State` 當中，讓各個從 `State` 衍生出的類別，可以使用這些資源，這樣便提供了類似一個工具包的角色，並讓不同狀態去取用，同時也可以**傳遞狀態間的資源或資料轉移**

class State {
protected:
    Context* context_ = nullptr;
public:
    void setContext(Context* ctx) { context_ = ctx; }
};

class Context {
public:
    Context();
    ~Context();
private:
    std::shared_ptr<Resource> resource_; // Shared resource
};

## 補充知識點
1. 作用域Scope: 程式碼有效的區域，例如 python 的縮排
The scope of a name binding (an association of a name to an entity, such as a variable) is the part of a program where the name binding is valid.