在 C++ 中，内存管理是十分重要的问题，一不小心就会造成程序内存泄露，那么怎么避免呢？通过智能指针可以优雅地管理内存，让开发者只需要关注内存的申请，内存的释放则会被自动管理。在文章 开源微服务框架 TARS 之 基础组件（点击跳转）中已经简要介绍过，TARS 框架组件中没有直接使用 STL 库中的智能指针，而是实现了自己的智能指针。本文将会分别对 STL 库中的智能指针和 TarsCpp 组件中的智能指针进行对比分析，并详细介绍 TARS 智能指针的实现原理。
• 智能指针
o 简介
o 引用计数原理
• STL 库中的智能指针
o shared_ptr
• TARS 智能指针 TC_AutoPtr 实现详解
o 原子计数类 std::atomic
o 智能指针基类 TC_HandleBase
o 智能指针模板类 TC_AutoPtr
o TC_AutoPtr 优势
简介
在计算机程序中，泄露是常见的问题，包括内存泄露和资源泄露。其中资源泄露指的是系统的 socket、文件描述符等资源在使用后，程序不再需要它们时没有得到释放；内存泄露指的是动态内存在使用后，程序不再需要它时没有得到释放。
内存泄露会使得程序占用的内存越来越多，而很大一部分往往是程序不再需要使用的。在 C++ 程序中，内存泄露常见于我们使用了 new 或者 malloc 申请动态存储区的内存，却忘了使用 delete 或者 free 去释放内存，造成系统内存的浪费，导致程序运行速度减慢甚至系统崩溃等严重后果。
随着计算机应用需求的日益增加，应用的设计与开发日趋复杂，开发人员在开发过程中处理的变量也越来越多。如何有效进行内存分配和释放、防止内存泄漏逐渐成为开发者面临的重要难题。为了解决忘记手动释放内存造成的内存泄露问题，智能指针诞生了。
常见的智能指针的使用场景，包括类中的成员变量（指针型）和普通的变量（指针型）。智能指针可以实现指针指向对象的共享，而无需关注动态内存的释放。通用实现技术是引用计数(Reference count)，下一部分会介绍，简单讲就是将一个计数器与类指向的对象相关联，跟踪有多少个指针指向同一对象，新增一个指针指向该对象则计数器 +1，减少一个则执行 -1。
引用计数原理
引用计数是智能指针的一种通用实现技术，上图为大致流程，基本原理如下：
1.在每次创建类的新对象时，初始化指针并将引用计数置 1；
2.当对象作为另一对象的副本而创建时（复制构造函数），复制对应的指针并将引用计数 +1；
3.当对一个对象进行赋值时，赋值操作符 = 将左操作数所指对象的引用计数 -1，将右操作数所指对象的引用计数 +1；
4.调用析构函数数，引用计数 -1；
5.上述操作中，引用计数减至 0 时，删除基础对象；
STL 库中的智能指针 shared_ptr 和 TARS 智能指针都使用了该引用计数原理，后面会进行介绍。
C++ 标准模板库 STL 中提供了四种指针 auto_ptr, unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr。
auto_ptr 在 C++98 中提出，但其不能共享对象、不能管理数组指针，也不能放在容器中。因此在 C++11 中被摒弃，并提出 unique_ptr 来替代，支持管理数组指针，但不能共享对象。
shared_ptr 和 weak_ptr 则是 C++11 从标准库 Boost 中引入的两种智能指针。shared_ptr 用于解决多个指针共享一个对象的问题，但存在循环引用的问题，引入 weak_ptr 主要用于解决循环引用的问题。
接下来将详细介绍 shared_ptr，关于其它智能指针的更多信息和用法请读者自行查阅。
shared_ptr
shared_ptr 解决了在多个指针间共享对象所有权的问题，最初实现于 Boost 库中，后来收录于 C++11 中，成为了标准的一部分。shared_ptr 的用法如下
上述代码的意思是 cp_sptrA 声明并赋值后，引用计数增加 1，cp_sptrA 销毁后引用计数 -1，但是没有触发 A 的析构函数，在 sprtA 销毁后，引用计数变为 0，才触发析构函数，实现内存的回收。执行结果如下
shared_ptr 主要的缺陷是遇到循环引用时，将造成资源无法释放，下面给出一个示例：
在上述例子中，我们首先定义了两个类 `A` 和 `B`：`A` 的成员变量是指向 `B` 的 `shared_ptr` 指针，`B` 的成员变量是指向 `A` 的 `shared_ptr` 指针。
然后我们创建了 `sptrB` 和 `sptrA` 两个智能指针对象，并且相互赋值。这会造成环形引用，使得 `A` 和 `B` 的析构函数都无法执行（可以通过 `cout` 观测），从而内存无法释放。当我们无法避免循环使用时，可以使用 `weak_ptr` 来解决，这里不再展开，感兴趣的读者可以自行查阅。
TARS 诞生于 2008 年，当时 shared_ptr 还没有被收录到 STL 标准库中，因此自己实现了智能指针 TC_AutoPtr。TARS 的智能指针主要是对 auto_ptr 的改进，和 share_ptr 的思想基本一致，能够实现对象的共享，也能存储在容器中。与 shared_ptr 相比，TC_AutoPtr 更加轻量化，拥有更好的性能，本文后续会对比。
在 TARS 中，智能指针类 TC_AutoPtr 是一个模板类，支持拷贝和赋值等操作，其指向的对象必须继承自智能指针基类 TC_HandleBase ，包含了对引用计数的加减操作。计数采用的是 C++ 标准库
计数的实现封装在类 TC_HandleBase 中，开发者无需关注。使用时，只要将需要共享对象的类继承 TC_HandleBase，然后传入模板类 TC_AutoPtr 声明并构造对象即可，如下
使用方式和 shared_ptr 相似，可以通过函数 getRef 获取当前计数，getRef 定义于 TC_HandleBase 类中。运行结果如下
下面我们将自底向上介绍分析原子计数器 std::atomic、智能指针基类 TC_HandleBase 和智能指针模板类 TC_AutoPtr，并对 TC_AutoPtr 与 shared_ptr 的性能进行简单的对比测试。
原子计数类 std::atomic
std::atomic 在 C++11 标准库
原子类型对象的主要特点就是从不同线程访问不会导致数据竞争(data race)。因此从不同线程访问某个原子对象是良性 (well-defined) 行为。而通常对于非原子类型而言，并发访问某个对象（如果不做任何同步操作）会导致未定义 (undifined) 行为发生。
C++11 标准库 std::atomic 提供了针对整型(integral)和指针类型的特化实现。下面是针对整型的特化实现的主要部分
可以看到重载了大部分整型中常用的运算符，包括自增运算符 ++ 和自减运算符 --，可以直接使用自增或自减运算符直接对原子计数对象的引用值 +1 或 -1 。
智能指针基类 TC_HandleBase
TC_HandleBase 是 TARS 的智能指针基类，包含两个成员变量 _atomic 和 _bNoDelete，定义如下
TC_HandleBase，为 TARS 智能指针模板类 TC_AutoPtr
可以看到，这里通过整型的原子计数类的对象 _atomic 实现引用计数，管理智能指针指向对象的引用计数。
智能指针模板类 TC_AutoPtr
TC_AutoPtr 的定义及其构造函数和成员变量如下述代码，成员变量 _ptr 是一个 T* 指针。构造函数初始化该指针并调用了 TC_HandleBase 成员函数 incRef 进行引用计数 +1，这要求类 T 是继承自 TC_HandleBase 的。
TC_AutoPtr 在使用时可以简单的当作 STL 的 shared_ptr 使用，需要注意的是指向的对象必须继承自 TC_HandleBase（当然也可以自己实现智能指针基类，并提供与 TC_HandleBase 一致的接口），同时还要避免环形引用。下面我们看一下 TC_AutoPtr 其他接口的定义：
可以看到，这些接口都满足通用的引用计数规则。
• 构造函数 ：除了初始化指针对象之外，将引用计数 `+1`；
• 拷贝构造函数：拷贝指针，引用计数 `+1`；
• 赋值操作符：拷贝指针，操作符右边的智能指针对应的引用计数 `+1`，左边的 `-1`；
• 析构函数：引用计数 `-1`；
TC_AutoPtr 优势
经过上述分析，可以发现 `TC_AutoPtr` 和 `shared_ptr` 在用法和功能上非常相似，都支持多个指针共享一个对象，支持存储在容器中，那 `TC_AutoPtr` 有什么优势呢？
相比于 STL 库中的 `shared_ptr`，`TC_AutoPtr` 更加轻量，具有更好的性能，我们可以通过如下简单的测试代码，通过测试二者构造和复制的耗时来衡量它们的性能
最后运行测试，输出的结果如下
可以看出，二者的复制性能相近，而构造性能上， TC_AutoPtr 要比 shared_ptr 快一倍以上。
本文主要介绍了 TARS 的智能指针组件 TC_AutoPtr 和 STL 的智能指针 shared_ptr。TC_AutoPtr 指向继承自智能指针基类 TC_HandleBase 的对象。TC_HandleBase 通过原子计数器 std::atomic
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