智能指针学习笔记

2022-02-28 00:51:38

1. 介绍

本文介绍智能指针的使用。智能指针是c++ 中管理资源的一种方式，用智能指针管理资源，不必担心资源泄露，将c++ 程序员从指针和内存管理中解脱出来，再者，这也是c++发展的趋势(这话不是我说的，见《Effective c++》和《c++实践编程》)，应该认真学习一下。

智能指针中，最有名的应该数auto_ptr，该智能指针已经被纳入标准库，只需要包含<memory>头文件即可以使用，另外，TR1文档定义的shared_ptr和weak_ptr也已经实现(我用的gcc版本是gcc 4.6.1)，它们的头文件是<tr1/memory> 。除此之外，还有几个好用的智能指针，不过它们属于boost库，不属于STL ，所以，用不用得到，根据自己的需要。不过，了解一下总无妨，正所谓"功不唐捐"嘛。

下面分别介绍auto_ptr，scoped_ptr，scoped_array，shared_ptr，shared_array， weak_ptr 和 intrusive_ptr 。

2. auto_ptr

2.1 为什么要用智能指针

在介绍第一个智能指针之前，先介绍下为什么要使用智能指针。先看下面这个函数：

void f()
{
    classA* ptr = new classA; // create an object explicitly
    ...                       // perform some operations
    delete ptr;               // clean up(destory the object explicitly)
}

这个函数是一系列麻烦的根源，一个显而易见的问题是，我们经常忘了delete 动作，特别是当函数中间存在return 语句时更是如此。然而，真正的麻烦发生于更隐晦之处，那就是当异常发生时，我们所要面对的灾难，异常一旦出现，函数将立刻退离，根本不会调用函数尾端的delete 语句。结果可能是内存遗失。防止这种资源遗失的常见办法就是捕捉所有异常，例如：

void f()
{
    classA* ptr = new classA; // create an object explicitly
    try{
    ...                       // perform some operations
    }
    catch(...){
        delete ptr; //-clean up
        throw;//-rethrow the exception
    }

    delete ptr;               // clean up(destory the object explicitly)
}

你看，为了异常发生时处理对象的删除工作，程序代码变得多么复杂和累赘！如果还有第二个对象，如果还需要更多的catch 子句，那么简直是一场恶梦。这不是优良的编程风格，复杂而且容易出错，必须尽力避免。

如果使用智能指针，情况就会大不相同了。这个智能指针应该保证，无论在何种情形下，只要自己被摧毁，就一定要连带释放其所指资源。而由于智能型指针本身就是局部变量，所以无论是正常退出还是异常退出，只要函数退出，它就一定会被销毁。auto_ptr正是这种只能型指针。

2.2 auto_ptr

auto_ptr 是这样一种指针：它是"它所指向的对象"的拥有者，所以，当身为对象拥有者的auto_ptr 被摧毁时，该对象也将遭到摧毁。auto_ptr 要求一个对象只能有一个拥有者，严禁一物二主。更详细的说， auto_ptr 管理的资源必须绝对没有一个以上的auto_ptr 同时指向它。 这是因为资源的拥有者在销毁的时候，会销毁它所拥有的资源，资源不能释放两次，如果同时有两个auto_ptr拥有同一个资源，那么，在第一个auto_ptr销毁以后，第二个auto_ptr就成为野指针了，所以，任何时刻，一个资源只有一个拥有者。

下面是上例改写后的版本：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

void f()
{
    //create and initialize an auto_ptr
    std::auto_ptr<classA> ptr(new classA);

    ... //perform some operations
}

不需要delete ，也不再需要catch 了。auto_ptr 的接口与一般指针非常相似：operator *用来提取其所指对象，operator-> 用来指向对象中的成员。然而，所有指针算法（包括++在内）都没有定义。

注意，auto_ptr< >允许你使用一般指针惯用的赋值(assign)初始化方式。必须直接使用数值来完成除始化：

std::auto_ptr<classA> ptr1(new classA); //OK
std::auto_ptr<classA> ptr2 = new classA;//ERROR

有了上面两条语句，那么下面的问题就很显然了。

std::auto_ptr<classA> ptr;               // create an auto_ptr
ptr = new classA;                        // ERROR
ptr = std::auto_ptr<classA>(new classA); // ok, delete old object and own new

2.3 auto_ptr 拥有权的转移

上面提到过，绝对没有一个以上的auto_ptr同时指向同一个资源，那么，如果你复制（或赋值）一个auto_ptr指针会发生什么呢？发生拥有权转移，如下所示：

//initizlize an auto_ptr with a new object
std::auto_ptr<classA> ptr1(new classA);

//copy the auto_ptr
std::auto_ptr<classA> ptr2(ptr1);

在第一个语句中，ptr拥有了那个new 出来的对象。在第二个语句中，拥有权由ptr1 转移到ptr2,此后，ptr2拥有那个对象，ptr1则是一个空指针。

同理，赋值动作也会发生拥有权的转移。

//initizlize an auto_ptr with a new object
std::auto_ptr<classA> ptr1(new classA);

//copy the auto_ptr
std::auto_ptr<classA> ptr2;
ptr2 = ptr1;

在上面的语句中，如果ptr2已经拥有一个对象，则，赋值动作发生时，会调用delete，将该对象删除。

因为auto_ptr 会发生拥有权转移问题，所以，不能完全像使用普通指针一样使用auto_ptr ，下面这个错误的用法演示的auto_ptr 的特性。

//this is a bad example
template <class T>
void bad_print(std::auto_ptr<T> p)//p gets ownership of passed argument
{
    //does p own an object?
    if (p.get() == NULL) 
    {
        std::cout << "NULL";
    }
    else
    {
        std::cout << *p;
    }
    //Oops,exiting delete the object to which p refers
}


int main(int argc, char const* argv[])
{
    std::auto_ptr<int> p(new int);
    *p = 42;      // change value to which p refers
    bad_print(p); // Oops,deletes the memory to which p refers
    *p = 18;      // RUNTIME ERROR
    return 0;
}

我们只是想通过print函数，打印对象的值，可是，却不小心把对象给销毁了，这是非常低级的错误，再多用几次auto_ptr 以后，就不会出现这种情况了。如果我们不是通过传值，而是通过传递一个引用会怎么样呢？可以这么做，可是，你得非常小心，千万别在调用的函数里面将资源的拥有权转移了。正确的用法应该声明指针常量，如下所示：

const std::auto_ptr<int>p(new int);
*p = 42       // change value to which p refers
bad_print(p); // COMPILE-TIME ERROR
*p = 18;      // OK

注意，auto_ptr 是一个指针，const auto_ptr 要表达的意思是"指针常量，指针不可指向其他资源，但是指针所指之物可以修改"，而不是指向常量的指针。所以，const auto_ptr 类似于 T* const p而不是指向常量的指针const T* p 。下面是一个使用auto_ptr 指针的完整示例：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;

//define output operator for auto_ptr
//-print object value or NULL

template<class T>
ostream& operator<< (ostream &strm, const auto_ptr<T> &p)
{
    //does p own an object ?
    if (p.get() == NULL) 
    {
        strm << "NULL";
    }
    else
    {
        strm << *p;
    }
    return strm;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    auto_ptr<int> p(new int(42));
    auto_ptr<int> q;

    cout << "after initizlization:" << endl;
    cout << "p : " << p << endl;
    cout << "q : " << q << endl;

    q = p;
    cout << "after assigning auto pointers:" << endl;
    cout << "p : " << p << endl;
    cout << "q : " << q << endl;

    *q += 13;
    p = q;
    cout << "after change and reassignment" << endl;
    cout << "p : " << p << endl;
    cout << "q : " << q << endl;
    return 0;
}

输出结果如下：

after initizlization:
p : 42
q : NULL
after assigning auto pointers:
p : NULL
q : 42
after change and reassignment
p : 55
q : NULL

2.4 auto_ptr 注意事项

auto_ptr(以及后面介绍的std::tr1::shared_ptr) 在其析构函数内做delete,而不是delete[]动作，那意味着在动态分配而得到的array上使用auto_ptr(或tr1::shared_ptr)是一个馊主意。但是，这样的代码是可以通过编译的，所以需要用户自己留心。下面的代码就会出现用new []分配资源，用delete而不是delete[] 释放资源一样的问题。
```
std::auto_ptr<std::string> aps(new std::string[10]);//资源泄漏
std::tr1::shared_ptr<int> spi(new int[1024]);       //资源泄漏
```
标准容器需要元素具有可复制和可赋值的特性，而复制和赋值操作会使auto_ptr 发生所有权转移，所以，auto_ptr 不能存放在容器中。

3. scoped_ptr

有了上面对auto_ptr 的解释，理解scoped_ptr 就没有什么难度了。scoped_ptr 的名字向读者传递了明确的信息，这个智能指针只能在本作用域中使用，不希望被转让。 scoped_ptr 通过将拷贝构造函数和operator= 函数声明为私有，以此阻止智能指针的复制，也就关闭了所有权转移的大门。

scoped_ptr 的用法与auto_ptr 几乎一样，大多数情况下它可以与auto_ptr 相互替换，它也可用从一个auto_ptr 获得指针的管理权（同时，auto_ptr 失去管理权）

scoped_ptr 也具有与auto_ptr 同样的"缺陷"——不能用作容器的元素，但原因不同，auto_ptr 是因为它的转移语义，而scoped_ptr 则是因为不支持拷贝和赋值，不符合容器对元素类型的基本要求。

下面的代码演示了scoped_ptr 与auto_ptr 的区别。

auto_ptr<int> ap(new int(10)); // 一个auto_ptr<int>
scoped_ptr<int> sp(ap);        // 从auto_ptr 获得原始指针
assert(ap.get() == 0);         // 原auto_ptr 不再拥有指针

ap.reset(new int(20));         // auto_ptr 拥有新的指针
cout << *ap << "," << *sp << endl;

auto_ptr<int> ap2;
ap2 = ap;              // ap2 从ap 获得原始指针，发生所有权转移
assert(ap.get() == 0); // ap 不再拥有指针
scoped_ptr<int> sp2;   // 另一个scoped_ptr
sp2 = sp;              // 赋值操作，无法通过编译

比起auto_ptr ，scoped_ptr 更明确的表达了代码原始编写者的意图：只能在定义的作用域内使用，不可转让。

4. scoped_array

scoped_array 与scoped_ptr 没什么区别，主要区别就是用 new[] 分配资源，用 delete [] 释放资源，而scoped_ptr 用new 分配资源，用delete 释放资源。用法如下：

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <iterator>
#include <boost/smart_ptr.hpp>
using namespace std;
using namespace boost;

int main(int argc, char* argv[])
{
    int *arr = new int[100]; //动态分配资源
    scoped_array<int> sa(arr);//用scoped_array 对象代理原始动态数组
    //scoped_array<int> sa( new int[100]);

    fill_n(&sa[0], 100, 5);
    sa[10] = sa[20] + sa[30];//像普通数组一样使用

    cout << sa[10] << "\t" << sa[20] << endl;
    return 0;//在作用域最后，自动释放资源
}

scoped_array 与 scoped_ptr 接口和功能几乎一样，主要区别如下：

构造函数接受的指针p 必须是new [] 的结果，而不能是new 表达式的结果。
没有* ， -> 操作符重载，因为scoped_array 持有的不是一个普通指针
析构函数使用delete []释放资源，而不是delete
提供operator[] 操作符重载，可以像普通数组一样使用下标访问元素
没有begin() end() 等类似容器的迭代器

上面这个例子，可以很方便的使用vector代替，《Boost 程序库开发指南》的作者并不推荐使用scoped_array。

5. shared_ptr

5.1 shared_ptr 介绍

上面已经介绍了3种智能指针，如果按照重要程度排序，auto_ptr 是最重要的，其次应该算shared_ptr 了，shared_ptr 已经被纳入标准库了，用gcc 的用户只需要#include<tr1/memory>用visual studio 08/10 的用户通过加入头文件#include<memory>即可。

shared_ptr 是一个最像指针的"智能指针"，它实现了引用计数的功能，所以，指针可以随意复制，在函数间传递，或者存储在容器里面。

shared_ptr 还有两个特有的成员函数，分别是：

unique() 用于检查指针是否唯一的，如果是唯一的，就相当于auto_ptr
use_count() 返回当前指针的引用计数，use_count() 不提供高效率的操作，所以，use_count() 应该仅仅用于测试或者调试。

下面看看shared_ptr 的用法：

#include <iostream>
#include <tr1/memory>
#include <assert.h>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    std::tr1::shared_ptr<int> sp( new int(10));//一个指向整数的shared_ptr
    assert( sp.unique());//现在shared_ptr 是指针的唯一持有者

    std::tr1::shared_ptr<int> sp2 = sp;//第二个shared_ptr ，拷贝构造函数

    //两个shared_ptr 相等，指向同一个对象，且引用计数为2
    assert(sp == sp2 && sp.use_count() == 2);

    *sp2 = 100;//使用解引用操作符修改被指对象
    assert(*sp == 100);//另一个shared_ptr 同时也被修改

    sp.reset();
    assert(!sp);//sp 不再持有对象
    return 0;
}

再看一个复杂一点的例子，用以演示智能指针作为成员变量和函数参数的情况。

#include <iostream>
#include <tr1/memory>
#include <assert.h>
using namespace std;
using namespace std::tr1;

class shared{
    private:
        shared_ptr<int> p;
    public:
    shared(shared_ptr<int> p_):p(p_){}; 
    void print()
    {
        cout << "count:" << p.use_count() << " v = " << *p << endl;
    }
};

void print_fun(shared_ptr<int> p)
{
        cout << "count:" << p.use_count() << " v = " << *p << endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    shared_ptr<int> p(new int(100));
    shared s1(p), s2(p);

    s1.print();
    s2.print();

    *p = 20;
    print_fun(p);
    s1.print();
}

输出结果如下：

count:3 v = 100
count:3 v = 100
count:4 v = 20
count:3 v = 20

可以看到，我们不用关心shared_ptr 的具体实现，也不需要烦心它的引用计数是多少，我们只需要把它当成一个普通指针使用，再也不用担心资源泄漏。

auto_ptr 不能一物侍二主，所以，拷贝的时候会发生所有权转移，而shared_ptr 则不存在这个问题呢，那么，把一个 auto_ptr 复制给 shared_ptr 或者把一个shared_ptr 复制给auto_ptr 会发生什么呢？答案是编译错误，即你不能这么做。

5.2 make_shared

前面说过，shared_ptr 是最像指针的智能指针，有了shared_ptr ，我们几乎可以抛弃delete了，但是，我们还是用到了new,用到了new 而不delete ，很不对称不是吗，所以，TR1又定义了一个小工具make_shared(类似与make_pair)来帮助我们生成对象，不过，这个功能好像还没有实现，如果，等不及要玩一下，可以用boost库，make_shared 在头文件#include<boost/make_shared.hpp>中定义，使用方法如下：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <boost/make_shared.hpp>
using namespace std;

int main(int argc, char const* argv[])
{
    boost::shared_ptr<string> sp = boost::make_shared<string>("make_shared");
    cout << *sp << endl;

    boost::shared_ptr< vector<int> > spv = boost::make_shared< vector<int> >(10, 2);
    cout << spv->size() << endl;
    return 0;
}

shared_ptr 可以应用于标注库，唯一需要牢记的是，shared_ptr 是一个指针，行为类似于普通指针，知道这一点以后，下面的代码就不难理解了。

#include <boost/make_shared.hpp>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <boost/smart_ptr.hpp>
using namespace std;
using namespace boost;

int main(int argc, char const* argv[])
{
    typedef vector< shared_ptr<int> > vs;
    //声明一个持有shared_ptr 的标准容器类型，元素被初始化为空指针
    vs v(10);

    int i = 0;
    for (vs::iterator pos = v.begin(); pos != v.end(); ++pos) 
    {
        (*pos) = make_shared<int>(++i);//使用工厂函数(make_shared)赋值
        cout << *(*pos) << ", ";//输出值
    }
    cout << endl;

    shared_ptr<int> p = v[9];

    *p = 100;
    cout << *v[9] << endl;
    return 0;
}

5.3 shared_ptr 的缺陷（循环引用）

shared_ptr 需要当心循环引用的问题，不然还是会发生资源泄漏。详细信息见这里。

6. shared_array

我们知道scoped_ptr 和 scoped_array 的用法和区别以后，很容易猜到shared_array 的用法了。

shared_array 类似于shared_ptr ，它包装了new[] 操作符在堆上分配的动态数组，同样，使用引用计数机制为动态数组提供了一个代理，可以在程序的生命周期里上期存在，直到没有任何引用后才释放内存。

shared_array 的接口和功能几乎与shared_ptr 是相同的，主要区别如下：

构造函数接受指针p必须是new[] 的结果，而不是new 分配的资源
提供operator[] 操作符重载，可以像普通数组一样用下标访问
没有* -> 操作符重载，因为shared_array 持有的不是一个普通指针
析构函数使用delete[] 释放资源，而不是delete

shared_array 用法的简单示例：

#include <iostream>
#include <boost/smart_ptr.hpp>
#include <assert.h>
using namespace std;
using namespace boost;

int main(int argc, char const* argv[])
{
    shared_array<int> sa( new int[100]);
    shared_array<int> sa2 = sa;

    sa[0] = 10;

    cout << sa.use_count() << endl;
    cout << sa[0] << endl;

    assert( sa2[0] == 10);
    return 0;
}

7. weak_ptr

关于weak_ptr 我是知其然，但不知其所以然。下面的说明和例子都来自《Boost 程序库完全开发指南》，无任何更改，没有理解透彻，怕改错了。

weak_ptr 被设计为与shared_ptr 共同工作，可以从一个shared_ptr 或者另一个weak_ptr 对象构造，获得资源的观测权。但是weak_ptr 没有共享资源，它的构造函数不会引起指针引用计数的增加。同样，在weak_ptr 析构时，也不会导致引用计数减少，它只是一个静静的观察者。

使用weak_ptr 的成员函数use_count() 可以观测资源的引用计数，另一个成员函数expired() 的功能等价于use_count() == 0，但更快，表示被观测的资源已经不复存在。

weak_ptr 没有重载operator* 和 -> ，这是特意的，因为它不共享指针，不能操作资源，这正是它"弱"的原因，但它可以使用一个非常重要的成员函数lock() 从被观测的shared_ptr 获得一个可用的shared_ptr 对象，从而操作资源。但当expired() == ture的时候，lock()函数返回一个存储空指针的shared_ptr 。

下面的代码示范了weak_ptr 的用法：

shared_ptr<int> sp (new int(10)); // 一个shared_ptr
assert(sp.use_count() == 1);

weak_ptr<int> wp(sp);        // 从shared_ptr 创建weak_ptr
assert(sp.use_count() == 1); // weak_ptr 不影响引用计数
if (!wp.expired())           // 判断weak_ptr 观察的对象是否有效
{
    shared_ptr<int> sp2 = wp.lock();//获得一个shared_ptr
    *sp2 = 100;
    assert(sp.use_count() == 2);
}//退出作用域，sp2 自动析构，引用计数减1

assert(sp.use_count() == 1);

sp.reset();           // shared_ptr 失效
assert(wp.expired()); // weak_ptr 将获得一个空指针
assert(!wp.lock());

8. intrusive_ptr

Boost 库实现了该指针，Boost 库不推荐使用intrusive_ptr。

9. 注意事项

在资源管理类中提供对原始资源的访问(Item 15)

使用智能指针的时候，可以通过get()成员函数，获取原始指针，从而与一下需要用到原始资源的API打交道，如果这样的API特别多，每次都写.get() 不光费时，而且不够清晰，这时，应该提供隐式类型转换。如下所示：
```
  class Font{
      public:
          ....
          //隐式类型转换
          operator FondHandle() const
          {return f;}
          ...
  };
```
以独立的语句将newd 对象置入智能指针(Item 17)

应该用独立的语句将newd 的对象置入只能指针，考虑如下调用： processWidget(std::tr1::shared_ptr(new Widget), priority());

在上面的调用中，需要处理以下三件事：

调用priority
执行new Widget
调用tr1::shared_ptr构造函数

c++ 编译器会以什么样的次序完成上面三件事，我们不得而知，如果调用序列如下：

执行new Widget
调用priority
调用tr1::shared_ptr构造函数

万一对priority 的调用导致异常，则new Widget返回的指针就会遗失，我们无法使用，也无法释放该资源，所以，安全的处理方式，应该是这样的：

std::tr1::shared_ptr<Widget> pw(new Widget);
processWidget(pw, priority());

10. 总结

在上面所有介绍的智能指针中，auto_ptr ，shared_ptr 和weak_ptr 已经纳入标准库，可以放心使用，而不用担心可移植性的问题。其中auto_ptr 和shared_ptr 最为重要，shared_ptr和普通指针最为相似，不知道该用哪种类型的智能指针的时候，就用shared_ptr 。

参考资料

转载：http://mingxinglai.com/cn/2013/01/smart-ptr/

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