C++智能指针--shared_ptr

2024-01-03 18:19:04

shared_ptr是一个引用计数智能指针，用于共享对象的所有权。它可以从一个裸指针、另一个shared_ptr、一个auto_ptr、或者一个weak_ptr构造。还可以传递第二个参数给shared_ptr的构造函数，它被称为删除器（deleter）。删除器用于处理共享资源的释放，这对于管理那些不是用new分配也不是用delete释放的资源时非常有用。shared_ptr被创建后，就可以像普通指针一样使用了，除了一点，它不能被显式地删除。shared_ptr的比较重要的接口如下：

template <class T>

explicit shared_ptr(T* p);

这个构造函数获得给定指针p的所有权。参数p必须是指向T的有效指针。构造后引用计数设为1。唯一从这个构造函数抛出的异常是std::bad_alloc（仅在一种很罕见的情况下发生，即不能获得引用计数器所需的空间）。

template <class T,class D>

shared_ptr(T* p,D d);

这个构造函数带有两个参数。第一个是shared_ptr将要获得所有权的那个资源，第二个是shared_ptr被销毁时负责释放资源的一个对象，被保存的资源将以d(p)的形式传给那个对象。如果引用计数器不能分配成功，shared_ptr抛出一个类型为std::bad_alloc的异常。

shared_ptr(const shared_ptr& r);

r中保存的资源被新构造的shared_ptr所共享，引用计数加一。这个构造函数不会抛出异常。

template <class T>

explicit shared_ptr(const weak_ptr<T>& r);

从一个weak_ptr构造shared_ptr。这使得weak_ptr的使用具有线程安全性，因为指向weak_ptr参数的共享资源的引用计数将会自增（weak_ptr不影响共享资源的引用计数）。如果weak_ptr为空（r.use_count()==0）, shared_ptr抛出一个类型为bad_weak_ptr的异常。

template <typename T>

shared_ptr(auto_ptr<T>& r);

这个构造函数从一个auto_ptr获取r中保存的指针的所有权，方法是保存指针的一份拷贝并对auto_ptr调用release。构造后的引用计数为1，而r则变为空的。如果引用计数器不能分配成功，则抛出std::bad_alloc。

~shared_ptr();

shared_ptr析构函数，对引用计数减一。如果计数为零，则保存的指针被删除。删除指针的方法是调用operator delete，或者，如果给定了一个执行删除操作的删除器对象，就把保存的指针作为唯一参数调用这个对象。析构函数不会抛出异常。

shared_ptr& operator=(const shared_ptr& r);

赋值操作共享r中的资源，并停止对原有资源的共享。赋值操作不会抛出异常。

void reset();

reset函数用于停止对保存指针的所有权的共享。共享资源的引用计数减一。

T& operator*() const;

这个操作符返回对已存指针所指向的对象的一个引用。如果指针为空，调用operator*会导致未定义行为。这个操作符不会抛出异常。

T* operator->() const;

这个操作符返回保存的指针。这个操作符与operator*一起使得智能指针看起来象普通指针。这个操作符不会抛出异常。

T* get() const;

get函数是当保存的指针有可能为空时（这时 operator* 和 operator-> 都会导致未定义行为）获取它的最好办法。注意，你也可以使用隐式布尔类型转换来测试shared_ptr是否包含有效指针。这个函数不会抛出异常。

bool unique() const;

这个函数在shared_ptr是它所保存指针的唯一拥有者时返回true；否则返回false。 unique不会抛出异常。

long use_count() const;

use_count 函数返回指针的引用计数。它在调试的时候特别有用，因为它可以在程序执行的关键点获得引用计数的快照。小心地使用它，因为在某些可能的shared_ptr实现中，计算引用计数可能是昂贵的，甚至是不行的。这个函数不会抛出异常。

operator unspecified-bool-type() const;

这是个到unspecified-bool-type类型的隐式转换函数，它可以在Boolean上下文中测试一个智能指针。如果shared_ptr保存着一个有效的指针，返回值为True；否则为false。注意，转换函数返回的类型是不确定的。把返回类型当成bool用会导致一些荒谬的操作，所以典型的实现采用了safe bool idiom，它很好地确保了只有可适用的Boolean测试可以使用。这个函数不会抛出异常。

void swap(shared_ptr<T>& b);

这可以很方便地交换两个shared_ptr。swap函数交换保存的指针(以及它们的引用计数)。这个函数不会抛出异常。

template <typename T,typename U> shared_ptr<T> static_pointer_cast(const shared_ptr<U>& r);

要对保存在shared_ptr里的指针执行static_cast，我们可以取出指针然后强制转换它，但我们不能把它存到另一个shared_ptr里；新的shared_ptr会认为它是第一个管理这些资源的。解决的方法是用static_pointer_cast，使用这个函数可以确保被指对象的引用计数保持正确。static_pointer_cast不会抛出异常。

使用shared_ptr的示例代码如下：

{
shared_ptr<int> pInt1;
assert(pInt1.use_count() == 0);         // 还没有引用指针
{
      shared_ptr<int> pInt2(new int(5));
      assert(pInt2.use_count() == 1);        // new int(5)这个指针被引用1次

    pInt1 = pInt2;
      assert(pInt2.use_count() == 2);       // new int(5)这个指针被引用2次
    assert(pInt1.use_count() == 2);
}                                                   //pInt2离开作用域, 所以new int(5)被引用次数-1

assert(pInt1.use_count() == 1);
}         // pInt1离开作用域，引用次数-1,现在new int(5)被引用0次，所以销毁它

如果资源的创建销毁不是以new和delete的方式进行的，该怎么办呢？通过前面的接口可以看到，shared_ptr的构造函数中可以指定删除器。示例代码如下：

class FileCloser
{
public:
    void operator()(FILE *pf)
    {
         if (pf != NULL)
         {
               fclose(pf);
               pf = NULL;
         }
    }
};

shared_ptr<FILE> fp(fopen(pszConfigFile, "r"), FileCloser());

在使用shared_ptr时，需要避免同一个对象指针被两次当成shard_ptr构造函数里的参数的情况。考虑如下代码：

{
     int *pInt = new int(5);
     shared_ptr<int> temp1(pInt);
     assert(temp1.use_count() == 1);
     shared_ptr<int> temp2(pInt);
     assert(temp2.use_count() == 1);
}      // temp1和temp2都离开作用域，它们都销毁pInt，会导致两次释放同一块内存

正确的做法是将原始指针赋给智能指针后，以后的操作都要针对智能指针了。参考代码如下：

1 {
2      shared_ptr<int> temp1(new int(5));
3      assert(temp1.use_count() == 1);
4      shared_ptr<int> temp2(temp1);
5      assert(temp2.use_count() == 2);
6 }      // temp1和temp2都离开作用域，引用次数变为0，指针被销毁。

另外，使用shared_ptr来包装this时，也会产生与上面类似的问题。考虑如下代码：

class A
{
public:
        shared_ptr<A> Get()
        {
             return shared_ptr<A>(this);
        }
}

shared_ptr<A> pA(new A());
shared_ptr<A> pB = pA->Get();

当pA和pB离开作用域时，会将堆上的对象释放两次。如何解决上述问题呢？C++ 11提供了如下机制：将类从enable_shared_from_this类派生，获取shared_ptr时使用shared_from_this接口。参考代码如下：

class A ：public enable_shared_from_this<A>
{
public:
        shared_ptr<A> Get()
        {
             return shared_from_this();
        }
}

在多线程中使用shared_ptr时，如果存在拷贝或赋值操作，可能会由于同时访问引用计数而导致计数无效。解决方法是向每个线程中传递公共的week_ptr，线程中需要使用shared_ptr时，将week_ptr转换成shared_ptr即可。

你可以用下列方法把 shared_ptr 传递给另一个函数：

向 shared_ptr 传递值。调用复制构造函数，递增引用计数，并把被调用方当做所有者。还有就是在这次操作中有少量的开销，这很大程度上取决于你传递了多少 shared_ptr 对象。当调用方和被调用方之间的代码协定 (隐式或显式) 要求被调用方是所有者，使用此选项。
通过引用或常量引用来传递 shared_ptr。在这种情况下，引用计数不增加，并且只要调用方不超出范围，被调用方就可以访问指针。或者，被调用方可以决定创建一个基于引用的 shared_ptr，从而成为一个共享所有者。当调用者并不知道被被调用方，或当您必须传递一个 shared_ptr，并希望避免由于性能原因的复制操作，请使用此选项。
通过底层的指针或引用底层的对象。这使得被调用方使用对象，但不使共享所有权或扩展生存期。如果被调用方从原始指针创建一个 shared_ptr，则新的 shared_ptr 是独立于原来的，且没有控制底层的资源。当调用方和被调用方之间的协定中明确规定调用者保留shared_ptr 生存期的所有权，则使用此选项。
当您决定如何传递一个 shared_ptr时，确定被调用方是否有共享基础资源的所有权。一个“所有者”就是只要它需要就可以使用底层资源的对象或函数。如果调用方必须保证被调用方可以在其（函数）生存期以外扩展指针的生存期，请使用第一个选项。如果您不关心被调用方是否扩展生存期，则通过引用传递并让被调用方复制它。
如果不得不允许帮助程序函数访问底层指针，并且您知道帮助程序函数将使用指针且在调用函数返回前先返回，则该函数不必共享底层指针的所有权。仅仅是在调用方的 shared_ptr 的生存期内允许访问指针。在这种情况下，通过引用来传递 shared_ptr，通过原始指针或引用的基本对象都是安全的。通过此方式提供一个小的性能改进，并且还有助于表示程序的意图。
有时，例如在一个 std:vector<shared_ptr<T>>中，您可能必须对传递每个shared_ptr 给lambda表达式体或命名函数对象。如果lambda或函数没有存储指针，则通过引用传递shared_ptr，以避免调用拷贝构造函数的每个元素。

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