C++智能指针

C++智能指针

C++ 11 新特性 智能指针（shared_ptr, unique_ptr, weak_ptr)

shared_ptr

shared_ptr基本用法

shared_ptr采用引用计数的方式管理所指向的对象。当有一个新的shared_ptr指向同一个对象时（复制shared_ptr等），引用计数加1。当shared_ptr离开作用域时，引用计数减1。当引用计数为0时，释放所管理的内存。

这样做的好处在于解放了程序员手动释放内存的压力。之前，为了处理程序中的异常情况，往往需要将指针手动封装到类中，通过析构函数来释放动态分配的内存；现在这一过程就可以交给shared_ptr去做了。

一般我们使用make_shared来获得shared_ptr。

cout<<"test shared_ptr base usage:"<<endl;
shared_ptr<string> p1 = make_shared<string>("");
if(p1 && p1->empty())
    *p1 = "hello";

auto p2 = make_shared<string>("world");
cout<<*p1<<' '<<*p2<<endl;

cout<<"test shared_ptr use_count:"<<endl;
cout<<"p1 cnt:"<<p1.use_count()<<"	p2 cnt:"<<p2.use_count()<<endl;

auto p3 = p2;
cout<<"p1 cnt:"<<p1.use_count()<<"	p2 cnt:"<<p2.use_count()<<"	p3 cnt:"<<p3.use_count()<<endl;
p2 = p1;
cout<<"p1 cnt:"<<p1.use_count()<<"	p2 cnt:"<<p2.use_count()<<"	p3 cnt:"<<p3.use_count()<<endl;

shared_ptr和new

shared_ptr可以使用一个new表达式返回的指针进行初始化。

cout<<"test shared_ptr and new:"<<endl;
shared_ptr<int> p4(new int(1024));
//shared_ptr<int> p5 = new int(1024); // wrong, no implicit constructor
cout<<*p4<<endl;

但是，不能将一个new表达式返回的指针赋值给shared_ptr。

另外，特别需要注意的是，不要混用new和shared_ptr!

void process(shared_ptr<int> ptr)
{
    cout<<"in process use_count:"<<ptr.use_count()<<endl;
}

cout<<"don't mix shared_ptr and normal pointer:"<<endl;
shared_ptr<int> p5(new int(1024));
process(p5);
int v5 = *p5;
cout<<"v5: "<<v5<<endl;

int *p6 = new int(1024);
process(shared_ptr<int>(p6));
int v6 = *p6;
cout<<"v6: "<<v6<<endl;

上面的程序片段会输出：

in process use_count:2
v5: 1024
in process use_count:1
v6: 0

可以看到，第二次process p6时，shared_ptr的引用计数为1，当离开process的作用域时，会释放对应的内存，此时p6成为了悬挂指针。

所以，一旦将一个new表达式返回的指针交由shared_ptr管理之后，就不要再通过普通指针访问这块内存！

shared_ptr.reset

shared_ptr可以通过reset方法重置指向另一个对象，此时原对象的引用计数减一。

cout<<"test shared_ptr reset:"<<endl;
cout<<"p1 cnt:"<<p1.use_count()<<"	p2 cnt:"<<p2.use_count()<<"	p3 nt:"<<p3.use_count()<<endl;
p1.reset(new string("cpp11"));
cout<<"p1 cnt:"<<p1.use_count()<<"	p2 cnt:"<<p2.use_count()<<"	p3 cnt:"<<p3.use_count()<<endl;

shared_ptr deleter

可以定制一个deleter函数，用于在shared_ptr释放对象时调用。

void print_at_delete(int *p)
{
    cout<<"deleting..."<<p<<'	'<<*p<<endl;
    delete p;
}

cout<<"test shared_ptr deleter:"<<endl;
int *p7 = new int(1024);
shared_ptr<int> p8(p7, print_at_delete);
p8 = make_shared<int>(1025);

unique_ptr

unique_ptr基本用法

unique_ptr对于所指向的对象，正如其名字所示，是独占的。所以，不可以对unique_ptr进行拷贝、赋值等操作，但是可以通过release函数在unique_ptr之间转移控制权。

cout<<"test unique_ptr base usage:"<<endl;
unique_ptr<int> up1(new int(1024));
cout<<"up1: "<<*up1<<endl;
unique_ptr<int> up2(up1.release());
cout<<"up2: "<<*up2<<endl;
//unique_ptr<int> up3(up1); // wrong, unique_ptr can not copy
//up2 = up1; // wrong, unique_ptr can not copy
unique_ptr<int> up4(new int(1025));
up4.reset(up2.release());
cout<<"up4: "<<*up4<<endl;
unique_ptr作为参数和返

回值

上述对于拷贝的限制，有两个特殊情况，即unique_ptr可以作为函数的返回值和参数使用，这时虽然也有隐含的拷贝存在，但是并非不可行的。

unique_ptr<int> clone(int p)
{
    return unique_ptr<int>(new int(p));
}

void process_unique_ptr(unique_ptr<int> up)
{
    cout<<"process unique ptr: "<<*up<<endl;
}

cout<<"test unique_ptr parameter and return value:"<<endl;
auto up5 = clone(1024);
cout<<"up5: "<<*up5<<endl;
process_unique_ptr(move(up5));
//cout<<"up5 after process: "<<*up5<<endl; // would cause segmentfault

这里的std::move函数，以后再单独具体细说^_^

unique_ptr deleter

unique_ptr同样可以设置deleter，和shared_ptr不同的是，它需要在模板参数中指定deleter的类型。好在我们有decltype这个利器，不然写起来好麻烦。

cout<<"test unique_ptr deleter:"<<endl;
int *p9 = new int(1024);
unique_ptr<int, decltype(print_at_delete) *> up6(p9, print_at_delete);
unique_ptr<int> up7(new int(1025));
up6.reset(up7.release());

weak_ptr

weak_ptr一般和shared_ptr配合使用。它可以指向shared_ptr所指向的对象，但是却不增加对象的引用计数。这样就有可能出现weak_ptr所指向的对象实际上已经被释放了的情况。因此，weak_ptr有一个lock函数，尝试取回一个指向对象的shared_ptr。

cout<<"test weak_ptr basic usage:"<<endl;
auto p10 = make_shared<int>(1024);
weak_ptr<int> wp1(p10);
cout<<"p10 use_count: "<<p10.use_count()<<endl;
//p10.reset(new int(1025)); // this will cause wp1.lock() return a false obj
shared_ptr<int> p11 = wp1.lock();
if(p11) cout<<"wp1: "<<*p11<<" use count: "<<p11.use_count()<<endl;

总结

• shared_ptr采用引用计数的方式管理所指向的对象。
• shared_ptr可以使用一个new表达式返回的指针进行初始化；但是，不能将一个new表达式返回的指针赋值给shared_ptr。
• 一旦将一个new表达式返回的指针交由shared_ptr管理之后，就不要再通过普通指针访问这块内存。
• shared_ptr可以通过reset方法重置指向另一个对象，此时原对象的引用计数减一。
• 可以定制一个deleter函数，用于在shared_ptr释放对象时调用。
• unique_ptr对于所指向的对象，是独占的。
• 不可以对unique_ptr进行拷贝、赋值等操作，但是可以通过release函数在unique_ptr之间转移控制权。
• unique_ptr可以作为函数的返回值和参数使用。
• unique_ptr同样可以设置deleter，需要在模板参数中指定deleter的类型。
• weak_ptr一般和shared_ptr配合使用。它可以指向shared_ptr所指向的对象，但是却不增加对象的引用计数。
• weak_ptr有一个lock函数，尝试取回一个指向对象的shared_ptr。
• 完整代码详见smart_pointer.cpp

BOOST 智能指针

一、简介

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制，程序员每次 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、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost:: intrusive_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？看完这篇文章后，我想你心里自然会有答案。

下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针（smart_ptr）。

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释放有它管理的堆内存。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。

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 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：

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，无论如何不用我们显示使用该死的delete 了。

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->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。作为一个库，不允许用户使用，确没有明确拒绝[1]，多少会觉得有点出乎预料。

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”，导致内存泄露。当我们不想让 my_memory 继续生存下去，我们调用 release() 函数释放内存，结果却导致内存泄露（在内存受限系统中，如果my_memory占用太多内存，我们会考虑在使用完成后，立刻归还，而不是等到 my_memory 结束生命期后才归还）。

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，这显然也不符合 C++ 编程思想。

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。

（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（读者可以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。

（5）    ……

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，这应该是你目前在想的事情吧，我也觉得限制挺多的，哪天一个不小心，就导致问题了。

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、boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样，可以方便的管理单个堆内存对象，特别的是，boost::scoped_ptr 独享所有权，避免了 std::auto_ptr 恼人的几个问题。

我们还是从代码开始分析：

void TestScopedPtr() {
  boost::scoped_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();

    my_memory.release();           // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
    my_memory2 = my_memory;        // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=，不会导致所有权转移
  }
}

首先，我们可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数，不会导致先前的内存泄露问题。其次，由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的，所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句，可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。

由于 boost::scoped_ptr 独享所有权，当我们真真需要复制智能指针时，需求便满足不了了，如此我们再引入一个智能指针，专门用于处理复制，参数传递的情况，这便是如下的 boost::shared_ptr。

4、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 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，boost::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。boost::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：

void TestSharedPtr(boost::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() {
  boost::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

boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点，boost::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。boost::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，boost::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。

5、boost::scoped_array

boost::scoped_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样，也是独享所有权的。

我们还是从代码开始分析：

void TestScopedArray() {
      boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化
      if (my_memory.get()) {
        my_memory[0].PrintSomething();
        my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
        my_memory[0].PrintSomething();
        (*my_memory)[0].info_extend += " other";            // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
        my_memory[0].release();                             // 同上，没有 release 函数
        boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
        my_memory2 = my_memory;                             // 编译 error，同上，没有重载 operator=
      }
    }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持复制，并且初始化的时候需要使用动态数组。另外，boost::scoped_array 没有重载“operator*”，其实这并无大碍，一般情况下，我们使用 get() 函数更明确些。

下面肯定应该讲 boost::shared_array 了，一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。

6、boost::shared_array

boost::shared_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

由于 boost::scoped_array 独享所有权，显然在很多情况下（参数传递、对象赋值等）不满足需求，由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样，内部使用了引用计数。

我们还是从代码开始分析：

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 reference (或 const reference)
  std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}

void TestSharedArray2() {
  boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
  if (my_memory.get()) {
    my_memory[0].PrintSomething();
    my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
    my_memory[0].PrintSomething();
    my_memory[1].PrintSomething();
    my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
    my_memory[1].PrintSomething();
    //(*my_memory)[0].info_extend += " other";  // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
  }
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedArray(my_memory);
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

执行结果为：

Simple: 0
Simple: 0
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 00
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 11
TestSharedArray2 UseCount: 1
TestSharedArray UseCount: 2
TestSharedArray2 UseCount: 1
~Simple: 0
~Simple: 0

跟 boost::shared_ptr 一样，使用了引用计数，可以复制，通过参数来传递。

至此，我们讲过的智能指针有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了，90%的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针，它们肯定有用，但有什么用处呢，一起看看吧。

7、boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

在讲 boost::weak_ptr 之前，让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个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 boost::weak_ptr，是否还有某些情况我们没纳入考虑呢？

回答：有。首先 boost::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。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的观察者（Observer）对象，观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用，而不改变其引用计数，当被观察的 boost::shared_ptr 失效后，相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。

我们还是从代码开始分析：

void TestWeakPtr() {
      boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
      boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));

      std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
      my_memory_weak = my_memory;
      std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

执行结果为：

Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::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，boost::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 boost::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 boost::weak_ptr，用于指向子类的 boost::shared_ptr，这样基类仅仅观察自己的 boost::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 boost::shared_ptr 的引用计数，用以降低复杂度，更好的管理对象。

8、boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

讲完如上 6 种智能指针后，对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了，现在有多了一种boost::intrusive_ptr，这是一种插入式的智能指针，内部不含有引用计数，需要程序员自己加入引用计数，不然编译不过（⊙﹏⊙b汗）。个人感觉这个智能指针没太大用处，至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码哦J。

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、在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr（当然动态数组使用 boost::scoped_array）。

3、在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr（当然动态数组使用 boost::shared_array）。

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

5、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。