智能指针的详解

2024-01-28 17:09:22

unique_ptr 是 C++ 11 提供的用于防止内存泄漏的智能指针中的一种实现，独享被管理对象指针所有权的智能指针。unique_ptr对象包装一个原始指针，并负责其生命周期。当该对象被销毁时，会在其析构函数中删除关联的原始指针。
unique_ptr具有->和*运算符重载符，因此它可以像普通指针一样使用。

#include <iostream>
#include <memory>

struct Task {
    int mId;
    Task(int id ) :mId(id) {
        std::cout << "Task::Constructor" << std::endl;
    }
    ~Task() {
        std::cout << "Task::Destructor" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    // 通过原始指针创建 unique_ptr 实例
    std::unique_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));

    //通过 unique_ptr 访问其成员
    int id = taskPtr->mId;
    std::cout << id << std::endl;

    return 0;
}
输出：
Task::Constructor
23
Task::Destructor

unique_ptr <Task>对象 taskPtr接受原始指针作为参数。现在当main函数退出时，该对象超出作用范围就会调用其析构函数，在unique_ptr对象taskPtr 的析构函数中，会删除关联的原始指针，这样就不用专门delete Task对象了。
这样不管函数正常退出还是异常退出（由于某些异常），也会始终调用taskPtr的析构函数。因此，原始指针将始终被删除并防止内存泄漏。

unique_ptr 独享所有权

unique_ptr对象始终是关联的原始指针的唯一所有者。我们无法复制unique_ptr对象，它只能移动。
由于每个unique_ptr对象都是原始指针的唯一所有者，因此在其析构函数中它直接删除关联的指针，不需要任何参考计数。

创建一个空的 unique_ptr 对象

创建一个空的unique_ptr<int>对象，因为没有与之关联的原始指针，所以它是空的。

检查 unique_ptr 对象是否为空

有两种方法可以检查 unique_ptr 对象是否为空或者是否有与之关联的原始指针。

// 方法1
if(!ptr1)
	std::cout<<"ptr1 is empty"<<std::endl;
// 方法2
if(ptr1 == nullptr)
	std::cout<<"ptr1 is empty"<<std::endl;

使用原始指针创建 unique_ptr 对象

要创建非空的 unique_ptr 对象，需要在创建对象时在其构造函数中传递原始指针，即：

std::unique_ptr taskPtr(new Task(22));

使用 std::make_unique 创建 unique_ptr 对象 / C++14

std::unique_ptr taskPtr = std::make_unique(34);

获取被管理对象的指针

使用get()·函数获取管理对象的指针

Task *p1 = taskPtr.get();

重置 unique_ptr 对象

在 unique_ptr 对象上调用reset()函数将重置它，即它将释放delete关联的原始指针并使unique_ptr 对象为空

taskPtr.reset();

unique_ptr 对象不可复制

由于 unique_ptr 不可复制，只能移动。因此，我们无法通过复制构造函数或赋值运算符创建unique_ptr对象的副本。

// 编译错误 : unique_ptr 不能复制
std::unique_ptr<Task> taskPtr3 = taskPtr2; // Compile error

// 编译错误 : unique_ptr 不能复制
taskPtr = taskPtr2; //compile error

转移 unique_ptr 对象的所有权

我们无法复制 unique_ptr 对象，但我们可以转移它们。这意味着 unique_ptr 对象可以将关联的原始指针的所有权转移到另一个 unique_ptr 对象。让我们通过一个例子来理解

// 通过原始指针创建 taskPtr2
std::unique_ptr<Task> taskPtr2(new Task(55));
// 把taskPtr2中关联指针的所有权转移给taskPtr4
std::unique_ptr<Task> taskPtr4 = std::move(taskPtr2);
// 现在taskPtr2关联的指针为空
if(taskPtr2 == nullptr)
	std::cout<<"taskPtr2 is  empty"<<std::endl;

// taskPtr2关联指针的所有权现在转移到了taskPtr4中
if(taskPtr4 != nullptr)
	std::cout<<"taskPtr4 is not empty"<<std::endl;

// 会输出55
std::cout<< taskPtr4->mId << std::endl;

std::move() 将把 taskPtr2 转换为一个右值引用。因此，调用 unique_ptr 的移动构造函数，并将关联的原始指针传输到 taskPtr4。在转移完原始指针的所有权后， taskPtr2将变为空。

释放关联的原始指针

在 unique_ptr 对象上调用 release()将释放其关联的原始指针的所有权，并返回原始指针。这里是释放所有权，并没有delete原始指针，reset()会delete原始指针。

std::unique_ptr<Task> taskPtr5(new Task(55));
// 不为空
if(taskPtr5 != nullptr)
	std::cout<<"taskPtr5 is not empty"<<std::endl;
// 释放关联指针的所有权
Task * ptr = taskPtr5.release();
// 现在为空
if(taskPtr5 == nullptr)
	std::cout<<"taskPtr5 is empty"<<std::endl;

示例程序

#include <iostream>
#include <memory>

struct Task {
    int mId;
    Task(int id ) :mId(id) {
        std::cout<<"Task::Constructor"<<std::endl;
    }
    ~Task() {
        std::cout<<"Task::Destructor"<<std::endl;
    }
};

int main()
{
    // 空对象 unique_ptr
    std::unique_ptr<int> ptr1;

    // 检查 ptr1 是否为空
    if(!ptr1)
        std::cout<<"ptr1 is empty"<<std::endl;

    // 检查 ptr1 是否为空
    if(ptr1 == nullptr)
        std::cout<<"ptr1 is empty"<<std::endl;

    // 不能通过赋值初始化unique_ptr
    // std::unique_ptr<Task> taskPtr2 = new Task(); // Compile Error

    // 通过原始指针创建 unique_ptr
    std::unique_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));

    // 检查 taskPtr 是否为空
    if(taskPtr != nullptr)
        std::cout<<"taskPtr is  not empty"<<std::endl;

    // 访问 unique_ptr关联指针的成员
    std::cout<<taskPtr->mId<<std::endl;

    std::cout<<"Reset the taskPtr"<<std::endl;
    // 重置 unique_ptr 为空，将删除关联的原始指针
    taskPtr.reset();

    // 检查是否为空 / 检查有没有关联的原始指针
    if(taskPtr == nullptr)
        std::cout<<"taskPtr is  empty"<<std::endl;

    // 通过原始指针创建 unique_ptr
    std::unique_ptr<Task> taskPtr2(new Task(55));

    if(taskPtr2 != nullptr)
        std::cout<<"taskPtr2 is  not empty"<<std::endl;

    // unique_ptr 对象不能复制
    //taskPtr = taskPtr2; //compile error
    //std::unique_ptr<Task> taskPtr3 = taskPtr2;

    {
        // 转移所有权（把unique_ptr中的指针转移到另一个unique_ptr中）
        std::unique_ptr<Task> taskPtr4 = std::move(taskPtr2);
        // 转移后为空
        if(taskPtr2 == nullptr)
            std::cout << "taskPtr2 is  empty" << std::endl;
        // 转进来后非空
        if(taskPtr4 != nullptr)
            std::cout<<"taskPtr4 is not empty"<<std::endl;

        std::cout << taskPtr4->mId << std::endl;

        //taskPtr4 超出下面这个括号的作用于将delete其关联的指针
    }

    std::unique_ptr<Task> taskPtr5(new Task(66));

    if(taskPtr5 != nullptr)
        std::cout << "taskPtr5 is not empty" << std::endl;

    // 释放所有权
    Task * ptr = taskPtr5.release();

    if(taskPtr5 == nullptr)
        std::cout << "taskPtr5 is empty" << std::endl;

    std::cout << ptr->mId << std::endl;

    delete ptr;

    return 0;
}
输出:
ptr1 is empty
ptr1 is empty
Task::Constructor
taskPtr is  not empty
23
Reset the taskPtr
Task::Destructor
taskPtr is  empty
Task::Constructor
taskPtr2 is  not empty
taskPtr2 is  empty
taskPtr4 is not empty
55
Task::Destructor
Task::Constructor
taskPtr5 is not empty
taskPtr5 is empty
66
Task::Destructor

总结

new出来的对象是位于堆内存上的，必须调用delete才能释放其内存。
unique_ptr 是一个装指针的容器，且拥有关联指针的唯一所有权，作为普通变量使用时系统分配对象到栈内存上，超出作用域时会自动析构，unique_ptr对象的析构函数中会delete其关联指针，这样就相当于替我们执行了delete堆内存上的对象。
unique_ptr不能直接复制，必须使用std::move()转移其管理的指针，转移后原 unique_ptr 为空。std::unique_ptr<Task> taskPtr4 = std::move(taskPtr2);
创建对象的方法:

//C++11: 
std::unique_ptr<Task> taskPtr(new Task(23));
//C++14: 
std::unique_ptr<Task> taskPtr = std::make_unique<Task>(34);

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