C++智能指针自定义删除器指南：std::make_shared与内存释放的定制策略

# 1. C++智能指针和自定义删除器概述

## 智能指针概念引入

C++编程中，内存泄漏是一个常见的问题。传统指针容易造成内存泄漏和悬挂指针，因此，智能指针作为一种资源管理工具，能够自动释放所管理的对象，大大降低了开发难度和错误率。智能指针通过引用计数等技术，确保在不再需要时能够安全地释放内存。

## 自定义删除器的必要性

智能指针默认使用delete操作符来释放资源，但在某些特殊情况下，我们需要自定义删除器来处理更复杂的资源释放逻辑。比如，当我们需要释放非new分配的资源、处理特定的内存释放策略、或者实现线程安全的内存释放时，自定义删除器就显得尤为重要。

## 章节总结

本章介绍了智能指针的基本概念和自定义删除器的必要性，为接下来深入了解智能指针的工作机制和实现自定义删除器打下基础。在后续章节中，我们将逐步深入探讨智能指针的不同类型和特性，以及如何结合实际情况来实现和应用自定义删除器，最终实现高效且安全的内存管理。

// 示例代码：智能指针的基本使用
#include <memory>

int main() {
    std::shared_ptr<int> p(new int(10)); // 使用智能指针管理内存
    return 0;
}

# 2. 智能指针的内存管理机制

## 2.1 智能指针的工作原理

### 2.1.1 引用计数机制

智能指针的核心功能之一是自动管理内存，防止内存泄漏。`std::shared_ptr` 实现了引用计数机制，这是其内存管理的关键所在。引用计数指的是跟踪有多少个 `shared_ptr` 对象共享同一块内存。当一个新的 `shared_ptr` 被创建时，它会指向一个动态分配的对象，引用计数从零开始。当 `shared_ptr` 的拷贝被创建或赋值时，引用计数会增加；当 `shared_ptr` 被销毁或重置时，引用计数会减少。只有当引用计数降至零时，意味着没有任何 `shared_ptr` 再引用这块内存，所占用的内存才会被释放。

std::shared_ptr<int> ptr1(new int(10)); // 引用计数为1
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;       // 引用计数增加为2
ptr1.reset();                            // 引用计数减为1
ptr2.reset();                            // 引用计数归零，内存释放

### 2.1.2 内存释放策略

智能指针的内存释放策略是自动且及时的。当没有任何 `shared_ptr` 对象引用一个资源时，资源会立即被释放。这个过程是透明的，程序员无需手动调用 `delete`。这一点在复杂的程序设计中尤为重要，因为它减少了忘记释放内存的风险。

然而，智能指针的自动内存释放也带来了循环引用的问题。当两个或多个 `shared_ptr` 相互引用时，即使没有其他外部指针引用它们，它们的引用计数也不会归零，从而导致内存泄漏。这是 `std::weak_ptr` 出现的原因，它可以打破循环引用，允许观察对象但不拥有它们。

## 2.2 智能指针的类型和特性

### 2.2.1 std::unique_ptr

`std::unique_ptr` 独占它所指向的对象。这种智能指针保证同一时间只有一个 `unique_ptr` 指向一个对象。当一个 `unique_ptr` 被销毁或重新赋值时，它所指向的对象也会随之被销毁。由于 `unique_ptr` 不允许拷贝，但允许移动，它特别适用于那些对象拥有权明确的场景。

std::unique_ptr<int> ptr1(new int(20));
std::unique_ptr<int> ptr2 = std::move(ptr1); // 移动所有权
// ptr1 现在是 nullptr

### 2.2.2 std::shared_ptr

`std::shared_ptr` 允许多个指针共享同一个对象的所有权，这使得它们非常适合用在多线程程序中，多个线程可能需要共享访问同一资源的场景。引用计数机制保证了资源在不再需要时才被释放。`shared_ptr` 的使用带来了额外的内存和性能开销，因为它需要存储引用计数和管理资源释放的机制。

std::shared_ptr<int> ptr1(new int(30));
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1; // 两个 shared_ptr 现在共享对象

### 2.2.3 std::weak_ptr

`std::weak_ptr` 用于解决 `shared_ptr` 的循环引用问题。它不增加引用计数，因此它所指向的对象可能会被 `shared_ptr` 释放。`weak_ptr` 通常被用来观察 `shared_ptr`，但不阻止对象的最终释放。它们可以被提升为 `shared_ptr`，但提升是否成功取决于被观察对象是否仍被其他 `shared_ptr` 所拥有。

std::shared_ptr<int> shared = std::make_shared<int>(40);
std::weak_ptr<int> weak = shared;
shared.reset(); // shared_ptr 释放，对象被销毁
std::shared_ptr<int> temp = weak.lock(); // 尝试提升 weak_ptr
if(temp) {
    // 对象仍然存在
} else {
    // 对象已被销毁
}

## 2.3 智能指针与异常安全性

### 2.3.1 异常安全性的挑战

异常安全性是指在程序执行过程中发生异常时，程序保持有效状态的能力。智能指针可以帮助提高代码的异常安全性。例如，当使用 `std::shared_ptr` 时，对象会在 `shared_ptr` 的生命周期结束时自动清理，即使在异常发生时也是如此。这种自动管理内存的特性减少了编写异常安全代码的复杂性。

### 2.3.2 使用智能指针提高异常安全性

在使用智能指针时，异常安全性可以通过以下几种方式获得：

- **自动释放资源：** 当 `shared_ptr` 离开其作用域时，即使发生异常，它也会自动释放所管理的资源。
- **资源获取即初始化（RAII）：** 这是一种编程技术，资源作为对象的成员变量被自动管理，对象在构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源。智能指针完美符合这一技术模式。
- **简化资源管理：** 使用智能指针可以简化异常处理代码，因为大部分资源管理逻辑都已经被智能指针内部处理。

void functionThatMightThrow() {
    std::shared_ptr<int> resource = std::make_shared<int>(50);
    // ... 其他操作，可能会抛出异常 ...
} // resource 在这里自动释放

智能指针不仅仅提升了代码的异常安全性，也简化了内存管理的复杂性，使得开发者能够专注于业务逻辑的实现，而不必过多担心内存泄漏的问题。

# 3. 自定义删除器的必要性和实现

## 3.1 自定义删除器的概念和好处

自定义删除器是智能指针在C++中一个强大的特性，它允许开发者定义一个函数或函数对象，这个函数在智能指针离开作用域或被显式重置时，用于释放资源。在C++中，资源管理是个复杂的话题，特别是涉及到堆内存、文件句柄、锁等资源的释放。通过自定义删除器，可以极大地提高代码的安全性，灵活性和可维护性。

### 3.1.1 删除器的作用和类型

删除器的主要作用是替代默认的`delete`操作，执行自定义的清理逻辑。这样做的好处是能够处理那些无法仅通过调用`delete`来释放的资源。例如，当资源是通过`new[]`分配的数组或者需要执行特定的析构函数，比如调用非空析构函数（non-trivial destructor）时，标准的删除器就不能满足需求。

自定义删除器有多种形式：

- **函数指针**：最基本的删除器形式，指向一个普通函数。
- **lambda表达式**：可以捕获外部变量，提供灵活的作用域和状态信息。
- **绑定对象和成员函数**：通过`std::function`或仿函数（functor）绑定到特定的对象和成员函数。

### 3.1.2 自定义删除器的场景和优势

自定义删除器在以下场景中特别有用：

- **资