「C++」理解智能指针

维基百科上面对于「智能指针」是这样描述的：

智能指针（英语：Smart pointer）是一种抽象的数据类型。在程序设计中，它通常是经由类型模板（class template）来实做，借由模板（template）来达成泛型，通常借由类型（class）的解构函数来达成自动释放指针所指向的存储器或对象。

简单的来讲，智能指针是一种看上去类似指针的数据类型，只不过它更加智能，懂的完成内存泄露，垃圾回收等一系列看上去很智能的工作。如你所看到的那样，借助 C++ RAII(Resource acquisition is initialization) 特性，在类型（class）的析构函数时来完成自动释放指针所指向对象的目的。

 

1、什么是智能指针？

先看看一个最简单的例子 auto_ptr:

template <class T> class auto_ptr
{
    T* ptr;
public:
    explicit auto_ptr(T* p = 0) : ptr(p) {}
    ~auto_ptr()                 {delete ptr;}
    T& operator*()              {return *ptr;}
    T* operator->()             {return ptr;}
    // ...
};

首先它拥有指针最基本的 2 个特性：deferencing(operator *) 和 indirection(operator ->). 于是下面的代码

void foo()
{
    MyClass* p(new MyClass);
    p->DoSomething();
    delete p;
}

可以写成：

void foo()
{
    auto_ptr<MyClass> p(new MyClass);
    p->DoSomething();
}

这样我们新申请的 MyClass 可以完全由智能指针 p 接管，p 知道何时去释放这块内存，而不需要程序员去操心。

 

2、为什么要用智能指针？

使用智能指针的好处是显而易见的，正如上面所举例，可以有效的防止因为程序员粗心而引发的内存泄露问题。当然，智能指针所能达到的效果还远不止于此，它可以使你的程序更加安全、高效。当上面的 void foo() 函数出现异常的时候，我们不得不修改程序成为下面的样子：

void foo()
{
    MyClass* p;
    try {
        p = new MyClass;
        p->DoSomething();
        delete p;
    }
    catch (...) {
        delete p;
        throw;
    }
}

可以想象，当程序逻辑越来越复杂的时候，传统的代码将会变得更加臃肿不堪。从美观的角度来说，这样的代码或许缺少点艺术性在里面，那么还是用智能指针吧，代码依然如此简洁、优雅。

再看看下面这个场景：

　　MyClass* p(new MyClass);
　　MyClass* q = p;
　　delete p;
　　p->DoSomething();     // p is now dangling
　　p = NULL;             // p is no longer dangling
　　q->DoSomething();     // q is still dangling

 当出现访问异常的时候，可能要耗费程序员很多精力去排查这类问题，因为 delete p 之后 p 可能依然指向某块内存（悬挂的）但是却是无效的指针。下面看看 auto_ptr 处理 operator = 的做法：

template <class T>
auto_ptr<T>& auto_ptr<T>::operator=(auto_ptr<T>& rhs)
{
    if (this != &rhs) {
        delete ptr;
        ptr = rhs.ptr;
        rhs.ptr = NULL;
    }
    return *this;
}

可以看出，auto_ptr 把 q 指向 p 指向的内存，并且 p 指针赋值为 null 了。不同类型的智能指针针对类似问题解决的方案是不同的：

a. copied_ptr: q 指向的内存是 p 指向内存的一个拷贝。

b. owned_ptr: 让 p 和 q 指向同一块内存，只不过把 clean up 的责任转交给了 q。

c. counted_ptr: 维护一个所申请内存块的计数 count，当 q = p 时 count 加 1，当 count 为 0 时释放内存。

d. linked_ptr: 所有的智能指针组成一个双向链表，但是所有的指针都是指向同一块内存，当出现 q = p 时把 q 加入到这个双向链表中。

e. cow_ptr: Copy-On-Write 机制，本质上是 counted_ptr or linked_ptr，仅当有意图要写内存时才为 q 重新开辟新的内存。

    const X& operator*()    const throw()   {return *itsPtr;}
    const X* operator->()   const throw()   {return itsPtr.get();}
    const X* get()          const throw()   {return itsPtr.get();}
    
    X& operator*()                          {copy(); return *itsPtr;}
    X* operator->()                         {copy(); return itsPtr.get();}
    X* get()                                {copy(); return itsPtr.get();}
private:
    counted_ptr<X> itsPtr;
    void copy()                            // create a new copy of itsPtr
    {
        if (!itsPtr.unique()) {
            X* old_p = itsPtr.get();
            itsPtr = counted_ptr<X>(new X(*old_p));
        }
    }

 上面的代码展示了 Copy-On-Write 机制产生的时机，这也解释了为什么智能指针会比普通指针更加高效的原因。同样的手法在 string 类中也出现过：

　　string s("Hello");
　　string t = s;   // t and s shared the same 'hello'
　　t += " there!";  // now a new buffer allocated for t

 

3、选择哪种智能指针？

 关于 counted_ptr 有 2 种不同的实现方法，intrusive（侵入式）和 non-intrusive（非侵入式）：

      

关于 linked_ptr，在多线程环境下容易引起死锁问题：

 

下面给出了一个总结，什么时候应该应用什么样的智能指针：

　　Local variables             auto_ptr
　　Class members               Copied pointer
　　STL Containers Garbage      collected pointer (e.g. reference counting/linking)
　　Explicit ownership transfer Owned pointer
　　Big objects                 Copy on write

 

 「参考资料」

http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_pointer

http://ootips.org/yonat/4dev/smart-pointers.html