C++ 智能指针 C++11

一、缘起

C++ 语言没有自动内存回收机制，每次 new 出来的内存都要手动 delete。

程序员忘记 delete，流程太复杂，最终导致没有 delete；

异常导致程序过早退出，没有执行 delete 的情况并不罕见。

用智能指针便可以有效缓解这类问题，本文主要讲解参见的智能指针的用法。

包括：std::auto_ptr、std::shared_ptr、std::weak_ptr、 std::unique_ptr。你可能会想，如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题，真的有必要吗？看文章。

  

二、具体使用

1、总括

对于编译器来说，智能指针 实际上是一个 栈对象，并非指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针 通过 析构函数(智能指针的) 释放由它管理的堆内存。

所有智能指针都重载了 “operator->” 操作符，直接返回对象的引用，用以操作对象。访问 智能指针 原来的方法则使用 “.”操作符。

访问智能指针包含的 裸指针 则可以用 get() 函数。

由于智能指针是一个对象，所以 if (my_smart_object) 永远为真，要判断 智能指针的裸指针是否为空，需要这样判断：if (my_smart_object.get())。

智能指针包含了 reset() 方法，如果不传递参数（或者传递 NULL），则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象，则智能指针会释放当前对象，来管理新传入的对象。

悬空指针（Dangling Pointer）指的是：一个指针的指向对象已被删除，那么就成了悬空指针

我们编写一个测试类来辅助分析：

class Simple {
 public:
  Simple(int param = 0) {
    number = param;
    std::cout << "Simple: " << number << std::endl;  
  }

  ~Simple() {
    std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  }

  void PrintSomething() {
    std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  }
  std::string info_extend;
  int number;
};

2、std::auto_ptr

std::auto_ptr 属于 STL，当然在 namespace std 中，包含头文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。

我们从代码开始分析：

class Simple {
 public:
  Simple(int param = 0) {
    number = param;
    std::cout << "Simple: " << number << std::endl;  
  }

  ~Simple() {
    std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  }

  void PrintSomething() {
    std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  }
  std::string info_extend;
  int number;
};

 

void TestAutoPtr() {

std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 创建对象，输出：Simple：1
if (my_memory.get()) {  // 判断智能指针是否为空
    my_memory->PrintSomething();     // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指针，然后给内部对象赋值
my_memory->PrintSomething();     // 再次打印，表明上述赋值成功
(*my_memory).info_extend += " other";       // 使用 operator* 返回智能指针内部对象，然后用“.”调用智能指针对象中的函数
my_memory->PrintSomething();       // 再次打印，表明上述赋值成功
  }
}       // my_memory 栈对象即将结束生命期，析构堆对象 Simple(1

执行结果为：

Simple: 1

PrintSomething:

PrintSomething: Addition

PrintSomething: Addition other

~Simple: 1

上述为正常使用 std::auto_ptr 的代码，一切似乎都良好，不用显式调用 delete函数，智能指针 通过 析构函数 释放由它管理的堆内存。

 

其实好景不长，我们看看如下的另一个例子：

void TestAutoPtr2() {

  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;   // 创建一个新的 my_memory2 对象
    my_memory2 = my_memory;        // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2，my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// 导致 my_memory 悬空，最后使用时导致崩溃。
    my_memory2->PrintSomething();       // 输出信息，复制成功
    my_memory->PrintSomething();        // 崩溃

  }
}

最终如上代码导致崩溃，如上代码时绝对符合 C++ 编程思想的，居然崩溃了，跟进 std::auto_ptr 的源码后，我们看到，罪魁祸首是“my_memory2 = my_memory”，这行代码，my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权，导致 my_memory 悬空，最后使用时导致崩溃。

所以，使用 std::auto_ptr 时，绝对不能使用“operator=”操作符 （因为内存管理所有权会转移）。

 

看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后，让我们再来看一个：

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

      if (my_memory.get()) {
        my_memory.release();
      }

}

执行结果为：

Simple: 1

看到什么异常了吗？我们创建出来的对象没有被析构，没有输出“~Simple: 1”，导致内存泄漏。

正确的代码应该为：

void TestAutoPtr3() {

  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    Simple* temp_memory = my_memory.release();
    delete temp_memory;
  }
}
或
void TestAutoPtr3() {

  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    my_memory.reset();  // 释放 my_memory 内部管理的内存
  }
}

原来 std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权。

总结：std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存，但是，请注意如下几点：

（1）    尽量不要使用“operator=”。如果使用了，请不要再使用先前对象，因为内存管理所有权转移给了新对象。

（2）    记住 release() 函数不会释放对象，仅仅归还所有权。

（3）    std::auto_ptr 最好不要当成参数传递（自行写代码确定为什么不能）。

（4）    由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题，有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。

使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多，还不能用来管理堆内存数组。

由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题，一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想，所以引发了下面 boost 的智能指针，boost 智能指针可以解决如上问题。

让我们继续向下看。

3、std::shared_ptr

boost::shared_ptr ，定义在 std 中，包含头文件 #include<memory> 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权，不允许赋值、拷贝，std::shared_ptr 是专门用于共享所有权的，由于要共享所有权，其在内部使用了引用计数。std::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。

我们还是从代码开始分析：

class Simple {
 public:
  Simple(int param = 0) {
    number = param;
    std::cout << "Simple: " << number << std::endl;  
  }

  ~Simple() {
    std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  }

  void PrintSomething() {
    std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  }
  std::string info_extend;
  int number;
};

 

void TestSharedPtr(std::shared_ptr<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 reference (或 const reference)
  memory->PrintSomething();
  std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;

}

void TestSharedPtr2() {
  std::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    my_memory->PrintSomething();
    my_memory.get()->info_extend = "Addition";
    my_memory->PrintSomething();
    (*my_memory).info_extend += " other";
    my_memory->PrintSomething();
  }
  std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedPtr(my_memory);
  std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  //my_memory.release();// 编译 error: 同样，shared_ptr 也没有 release 函数
}

执行结果为：

Simple: 1

PrintSomething:

PrintSomething: Addition

PrintSomething: Addition other

TestSharedPtr2 UseCount: 1

PrintSomething: Addition other

TestSharedPtr UseCount: 2

TestSharedPtr2 UseCount: 1

~Simple: 1

std::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点，std::shared_ptr 内部维护了一个引用计数，由此可以支持复制、参数传递等。std::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ，此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果，我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中，引用计数为 1，传递参数后（此处进行了一次复制），在函数TestSharedPtr 内部，引用计数为2，在 TestSharedPtr 返回后，引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候，std::shared_ptr 是再好不过的了。

在此，我们已经看完单个对象的智能指针管理，关于智能指针管理数组，我们接下来讲到。

4、std::weak_ptr

std::weak_ptr 属于std库，包含头文件 #include<memory> 便可以使用。

在讲 std::weak_ptr 之前，让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 std::shared_ptr 智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了，这儿还多出一个 std::weak_ptr，是否还有某些情况我们没纳入考虑呢？

回答：有。首先 std::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候，我们只关心能否使用对象，并不关心内部的引用计数。std::weak_ptr 是 std::shared_ptr 的观察者（Observer）对象，观察者意味着 std::weak_ptr 只对 std::shared_ptr 进行引用，而不改变其引用计数，当被观察的 std::shared_ptr 失效后，相应的 std::weak_ptr 也相应失效。

我们还是从代码开始分析：

   

class Simple {
 public:
  Simple(int param = 0) {
    number = param;
    std::cout << "Simple: " << number << std::endl;  
  }

  ~Simple() {
    std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
  }

  void PrintSomething() {
    std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
  }
  std::string info_extend;
  int number;
};

 

 void TestWeakPtr() {
      std::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
      std::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
      std::cout << "TestWeakPtr std::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
      my_memory_weak = my_memory;
      std::cout << "TestWeakPtr std::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

执行结果为：

Simple: 1

TestWeakPtr std::shared_ptr UseCount: 1

TestWeakPtr std::shared_ptr UseCount: 1

~Simple: 1

    我们看到，尽管被赋值了，内部的引用计数并没有什么变化，当然，读者也可以试试传递参数等其他情况。

    现在要说的问题是，std::weak_ptr 到底有什么作用呢？从上面那个例子看来，似乎没有任何作用，其实 std::weak_ptr 主要用在软件架构设计中，可以在基类（此处的基类并非抽象基类，而是指继承于抽象基类的虚基类）中定义一个 std::weak_ptr，用于指向子类的 std::shared_ptr，这样基类仅仅观察自己的 std::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了，而不用影响子类 std::shared_ptr 的引用计数，用以降低复杂度，更好的管理对象。

5. std::unique_ptr

std::unique_ptr是一个独享所有权的智能指针，它提供了一种严格语义上的所有权，包括：

           i.  拥有它所指向的对象

           ii.  无法进行复制、赋值操作(例题3)

           iii. 保存指向某个对象的指针，当它本身被删除释放的时候，会使用给定的删除器释放它指向的对象

           iv.  具有移动(std::move)语义，可做为容器元素

 三、总结

如上讲了这么多智能指针，有必要对这些智能指针做个总结：

1、在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想，而且极容易出错[2]。

2、在对象需要共享的情况下，使用 std::shared_ptr.

3、在需要访问 std::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下，使用 std::weak_ptr，一般常用于软件框架设计中。

4、最后一点，也是要求最苛刻一点：在你的代码中，不要出现 delete 关键字（或 C 语言的 free 函数），因为可以用智能指针去管理。

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[1]参见《effective C++》，条款06 。