C++面試八股文：什麼是智慧指標？

某日二師兄參加XXX科技公司的C++工程師開發崗位第19面：

面試官：什麼是智慧指標？

二師兄：智慧指標是C++11引入的類別範本，用於管理資源，行為類似於指標，但不需要手動申請、釋放資源，所以稱為智慧指標。

面試官：C++11引入了哪些智慧指標？

二師兄：三種，分別是shared_ptr、unique_ptr、和weak_ptr。

面試官：說一說三種指標的特徵及用途。

二師兄：好的。shared_ptr使用了參照計數（use count）技術，當複製個shared_ptr物件時，被管理的資源並沒有被複制，而是增加了參照計數。當解構一個shared_ptr物件時，也不會直接釋放被管理的的資源，而是將參照計數減一。當參照計數為0時，才會真正的釋放資源。shared_ptr可以方便的共用資源而不必建立多個資源。

二師兄：unique_ptr則不同。unique_ptr獨佔資源，不能拷貝，只能移動。移動過後的unique_ptr範例不再佔有資源。當unique_ptr被解構時，會釋放所持有的資源。

二師兄：weak_ptr可以解決shared_ptr所持有的資源迴圈參照問題。weak_ptr在指向shared_ptr時，並不會增加shared_ptr的參照計數。所以weak_ptr並不知道shared_ptr所持有的資源是否已經被釋放。這就要求在使用weak_ptr獲取shared_ptr時需要判斷shared_ptr是否有效。

struct Boo;
struct Foo{
    std::shared_ptr<Boo> boo;
};
struct Boo{
    std::shared_ptr<Foo> foo;
};

二師兄：Foo中有一個智慧指標指向Goo，而Goo中也有一根智慧指標指向Foo，這就是迴圈參照，我們可以使用weak_ptr來解決這個文通。

Boo boo;
auto foo = boo.foo.lock();
if(foo)
{
    //這裡通過獲取到了foo，可以使用
}else
{
    //這裡沒有獲取到，不能使用
}

面試官：好的。智慧指標是執行緒安全的嗎？

二師兄：是的。拋開型別T，智慧指標是型別安全的。

面試官：為什麼？

二師兄：因為智慧指標底層使用的參照計數是atomic的原子變數，原子變數在自增自減時是執行緒安全的，這保證了多執行緒讀寫智慧指標時是安全的。

面試官：好的。為什麼儘量不要使用裸指標初始化智慧指標？

二師兄：因為可能存在同一個裸指標初始了多個智慧指標，在智慧指標解構時會造成資源的多次釋放。

面試官：為什麼不要從智慧指標中返回裸指標呢？

二師兄：是因為如果返回的裸指標被釋放了，智慧指標持有的資源也失效了，對智慧指標的操作是未定義的行為。

面試官：智慧指標能夠持有陣列嗎？

二師兄：shread_ptr和unique_ptr都可以持有陣列。

面試官：那你知道在釋放資源的時候兩者有什麼不同嗎？

二師兄：這個暫時還不清楚。。

面試官：可以使用靜態物件初始化智慧指標嗎？

二師兄：讓我想想。。不可以，因為靜態物件的生命週期和程序一樣長，而智慧指標的解構的時候會導致靜態資源被釋放。這會導致未定義的行為。

面試官：如果需要在一個類中實現一個方法，這個方法返回這個類的shread_ptr範例，需要注意哪些東西？

二師兄：需要繼承std::enable_shared_from_this類，方法返回shared_from_this()。

struct Foo : public std::enable_shared_from_this<Foo>
{
    std::shared_ptr<Foo> get_foo()
    {
        return shared_from_this();
    }
};

面試官：為什麼不直接返回this指標？

二師兄：額。。。不太清楚，但是這應該是個正規化。

面試官：好的，今天的面試結束了，請回去等通知吧。

今天二師兄的表現不錯，讓我們看看一些回答的不太理想的地方吧。

智慧指標是執行緒安全的嗎？

很遺憾，使用不當的時候並不是。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>
#include <chrono>

struct Foo
{
    Foo(int i):i_(i){}
    void print() {std::cout << i_ << std::endl;}
    int i_;
};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    {
        auto shptr = std::make_shared<Foo>(42);
        std::thread([&shptr](){
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
            shptr->print();
        }).detach();
    }
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    return 0;
}
// g++ test.cpp -o test -lpthread
// ./test 
// Segmentation fault

當我們向另一個執行緒傳遞智慧指標的參照時，由於use count並沒有加1，在shptr解構時直接銷燬了管理的Foo範例，所以線上程中執行shptr->print()會引發coredump。

修改起來也很簡單，把std::thread([&shptr]()改成std::thread([shptr]()即可。記住，智慧指標儘量不要傳參照。

知道在釋放資源的時候shread_ptr和unique_ptr有什麼不同嗎？

這裡需要在shared_ptr構造時傳入deleter，用來銷燬持有的陣列，而unique_ptr無需此操作，因為unique_ptr過載了unique_ptr(T[])。

get_foo()方法為什麼不直接返回this指標？

參考 」為什麼儘量不要使用裸指標初始化智慧指標「。聰明的小夥伴，想想如果多次呼叫get_foo()會發生什麼？

好了，今天二師兄的面試之旅到這裡就結束了。感謝小夥伴的耐心閱讀。如果您覺得還不錯，請多多支援二師兄，拜謝~

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