本文共 13526 字，大约阅读时间需要 45 分钟。
1. 智能指针背后的设计思想
我们先来看一个简单的例子：
void remodel(std::string & str){ std::string * ps = new std::string(str); ... if (weird_thing()) { return; } str = *ps; delete ps; return;} 当（weird_thing()返回true）时，delete将不被执行，因此将导致内存泄露。
如何避免这种问题？有人会说，这还不简单，直接在return;之前加上delete ps;不就行了。是的，你本应如此，问题是很多人都会忘记在适当的地方加上delete语句（连上述代码中最后的那句delete语句也会有很多人忘记吧），如果你要对一个庞大的工程进行review，看是否有这种潜在的内存泄露问题，那就是一场灾难！
这时我们会想：当remodel这样的函数终止（不管是正常终止，还是由于出现了异常而终止），本地变量都将自动从栈内存中删除—因此指针ps占据的内存将被释放，
如果ps指向的内存也被自动释放，那该有多好啊。 我们知道析构函数有这个功能。如果ps有一个析构函数，该析构函数将在ps过期时自动释放它指向的内存。但ps的问题在于，它只是一个常规指针，不是有析构凼数的类对象指针。如果它指向的是对象，则可以在对象过期时，让它的析构函数删除指向的内存。
这正是 auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr这几个智能指针背后的设计思想。我简单的总结下就是：将基本类型指针封装为类对象指针（这个类肯定是个模板，以适应不同基本类型的需求），并在析构函数里编写delete语句删除指针指向的内存空间。
因此，要转换remodel()函数，应按下面3个步骤进行：
- 包含头义件memory（智能指针所在的头文件）；
- 将指向string的指针替换为指向string的智能指针对象；
- 删除delete语句。
下面是使用auto_ptr修改该函数的结果：
# include void remodel (std::string & str){ std::auto_ptr ps (new std::string(str))； ... if (weird_thing ()) return； str = *ps； // delete ps； NO LONGER NEEDED return;}
2. shared_ptr简单介绍
STL一共给我们提供了四种智能指针：auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr。
模板auto_ptr是C++98提供的解决方案，C+11已将将其摒弃，并提供了另外两种解决方案。然而，虽然auto_ptr被摒弃，但它已使用了好多年：同时，如果您的编译器不支持其他两种解决力案，auto_ptr将是唯一的选择。
使用注意点
- 所有的智能指针类都有一个explicit构造函数，以指针作为参数。比如auto_ptr的类模板原型为：
-
templet class auto_ptr { explicit auto_ptr(X* p = 0) ; ...};
-
因此不能自动将指针转换为智能指针对象，必须显式调用：
-
shared_ptr pd; double *p_reg = new double;pd = p_reg; // not allowed (implicit conversion)pd = shared_ptr (p_reg); // allowed (explicit conversion)shared_ptr pshared = p_reg; // not allowed (implicit conversion)shared_ptr pshared(p_reg); // allowed (explicit conversion)
-
对全部三种智能指针都应避免的一点：
-
string vacation("I wandered lonely as a cloud.");shared_ptr pvac(&vacation); // No pvac过期时，程序将把delete运算符用于非堆内存，这是错误的。
使用举例
#include #include #include class report{private: std::string str;public: report(const std::string s) : str(s) { std::cout << "Object created.\n"; } ~report() { std::cout << "Object deleted.\n"; } void comment() const { std::cout << str << "\n"; }};int main() { { std::auto_ptr ps(new report("using auto ptr")); ps->comment(); } { std::shared_ptr ps(new report("using shared ptr")); ps->comment(); } { std::unique_ptr ps(new report("using unique ptr")); ps->comment(); } return 0;}
3. 为什么摒弃auto_ptr？
先来看下面的赋值语句:
auto_ptr< string> ps (new string ("I reigned lonely as a cloud.”）;auto_ptr vocation; vocaticn = ps; 上述赋值语句将完成什么工作呢？如果ps和vocation是常规指针，则两个指针将指向同一个string对象。这是不能接受的，因为程序将试图删除同一个对象两次——一次是ps过期时，另一次是vocation过期时。要避免这种问题，方法有多种：
- 定义陚值运算符，使之执行深复制。这样两个指针将指向不同的对象，其中的一个对象是另一个对象的副本，缺点是浪费空间，所以智能指针都未采用此方案。
- 建立所有权（ownership）概念。对于特定的对象，只能有一个智能指针可拥有，这样只有拥有对象的智能指针的构造函数会删除该对象。然后让赋值操作转让所有权。这就是用于auto_ptr和uniqiie_ptr 的策略，但unique_ptr的策略更严格。
- 创建智能更高的指针，跟踪引用特定对象的智能指针数。这称为引用计数。例如，赋值时，计数将加1，而指针过期时，计数将减1,。当减为0时才调用delete。这是shared_ptr采用的策略。
当然，同样的策略也适用于复制构造函数。
每种方法都有其用途，但为何说要摒弃auto_ptr呢？
下面举个例子来说明。
#include #include #include using namespace std;int main() { auto_ptr films[5] = { auto_ptr (new string("Fowl Balls")), auto_ptr (new string("Duck Walks")), auto_ptr (new string("Chicken Runs")), auto_ptr (new string("Turkey Errors")), auto_ptr (new string("Goose Eggs")) }; auto_ptr pwin; pwin = films[2]; // films[2] loses ownership. 将所有权从films[2]转让给pwin，此时films[2]不再引用该字符串从而变成空指针 cout << "The nominees for best avian baseballl film are\n"; for (int i = 0; i < 5; ++i) cout << *films[i] << endl; cout << "The winner is " << *pwin << endl; cin.get(); return 0;}
运行下发现程序崩溃了，原因在上面注释已经说的很清楚，films[2]已经是空指针了，下面输出访问空指针当然会崩溃了。但这里如果把auto_ptr换成shared_ptr或unique_ptr后，程序就不会崩溃，原因如下：
4. unique_ptr为何优于auto_ptr？
可能大家认为前面的例子已经说明了unique_ptr为何优于auto_ptr，也就是安全问题，下面再叙述的清晰一点。
请看下面的语句:
auto_ptr p1(new string ("auto") ； //#1auto_ptr p2; //#2p2 = p1; //#3
在语句#3中，p2接管string对象的所有权后，p1的所有权将被剥夺。前面说过，这是好事，可防止p1和p2的析构函数试图刪同—个对象；
但如果程序随后试图使用p1，这将是件坏事，因为p1不再指向有效的数据。
下面来看使用unique_ptr的情况：
unique_ptr p3 (new string ("auto"); //#4unique_ptr p4； //#5p4 = p3; //#6
编译器认为语句#6非法，避免了p3不再指向有效数据的问题。因此，unique_ptr比auto_ptr更安全。
但unique_ptr还有更聪明的地方。
有时候，会将一个智能指针赋给另一个并不会留下危险的悬挂指针。假设有如下函数定义：
unique_ptr demo(const char * s){ unique_ptr temp (new string (s))； return temp；}
并假设编写了如下代码：
unique_ptr ps;ps = demo('Uniquely special")；
demo()返回一个临时unique_ptr，然后ps接管了原本归返回的unique_ptr所有的对象，而返回时临时的 unique_ptr 被销毁，也就是说没有机会使用 unique_ptr 来访问无效的数据，换句话来说，这种赋值是不会出现任何问题的，即没有理由禁止这种赋值。实际上，编译器确实允许这种赋值，这正是unique_ptr更聪明的地方。
总之，党程序试图将一个 unique_ptr 赋值给另一个时，如果源 unique_ptr 是个临时右值，编译器允许这么做；如果源 unique_ptr 将存在一段时间，编译器将禁止这么做，比如：
unique_ptr pu1(new string ("hello world"));unique_ptr pu2;pu2 = pu1; // #1 not allowedunique_ptr pu3;pu3 = unique_ptr (new string ("You")); // #2 allowed
其中#1留下悬挂的unique_ptr(pu1)，这可能导致危害。而#2不会留下悬挂的unique_ptr，因为它调用 unique_ptr 的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权让给 pu3 后就会被销毁。这种随情况而已的行为表明，unique_ptr 优于允许两种赋值的auto_ptr 。
当然，您可能确实想执行类似于#1的操作，仅当以非智能的方式使用摒弃的智能指针时（如解除引用时），这种赋值才不安全。要安全的重用这种指针，可给它赋新值。C++有一个标准库函数std::move()，让你能够将一个unique_ptr赋给另一个。下面是一个使用前述demo()函数的例子，该函数返回一个unique_ptr<string>对象：
使用move后，原来的指针仍转让所有权变成空指针，可以对其重新赋值。
unique_ptr ps1, ps2;ps1 = demo("hello");ps2 = move(ps1);ps1 = demo("alexia");cout << *ps2 << *ps1 << endl;
5. weak_ptr的简单介绍
weak_ptr 是一种不控制对象生命周期的智能指针, 它指向一个 shared_ptr 管理的对象. 进行该对象的内存管理的是那个强引用的 shared_ptr. weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段.
weak_ptr 设计的目的是为配合 shared_ptr 而引入的一种智能指针来协助 shared_ptr 工作, 它只可以从一个 shared_ptr 或另一个 weak_ptr 对象构造, 它的构造和析构不会引起引用记数的增加或减少.
定义在 memory 文件中(非memory.h), 命名空间为 std.
weak_ptr成员函数
weak_ptr 没有重载*和->但可以使用 lock 获得一个可用的 shared_ptr 对象. 注意, weak_ptr 在使用前需要检查合法性.
expired 用于检测所管理的对象是否已经释放, 如果已经释放, 返回 true; 否则返回 false.
lock 用于获取所管理的对象的强引用(shared_ptr). 如果 expired 为 true, 返回一个空的 shared_ptr; 否则返回一个 shared_ptr, 其内部对象指向与 weak_ptr 相同.
use_count 返回与 shared_ptr 共享的对象的引用计数.
reset 将 weak_ptr 置空.
weak_ptr 支持拷贝或赋值, 但不会影响对应的 shared_ptr 内部对象的计数.
weak_ptr的使用更为复杂一点，它可以指向shared_ptr指针指向的对象内存，却并不拥有该内存，而使用weak_ptr成员lock，则可返回其指向内存的一个share_ptr对象，且在所指对象内存已经无效时，返回指针空值nullptr。
注意：weak_ptr并不拥有资源的所有权，所以不能直接使用资源。
可以从一个weak_ptr构造一个shared_ptr以取得共享资源的所有权。
weak_ptr 使用实例:
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include #include #include #include #include
使用 weak_ptr 解决 shared_ptr 因循环引有不能释放资源的问题
使用 shared_ptr 时, shared_ptr 为强引用, 如果存在循环引用, 将导致内存泄露. 而 weak_ptr 为弱引用, 可以避免此问题, 其原理:
对于弱引用来说, 当引用的对象活着的时候弱引用不一定存在. 仅仅是当它存在的时候的一个引用, 弱引用并不修改该对象的引用计数, 这意味这弱引用它并不对对象的内存进行管理.
weak_ptr 在功能上类似于普通指针, 然而一个比较大的区别是, 弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放, 从而避免访问非法内存。
注意: 虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用, 但这种方式必须在程序员能预见会出现循环引用的情况下才能使用, 也可以是说这个仅仅是一种编译期的解决方案, 如果程序在运行过程中出现了循环引用, 还是会造成内存泄漏.
class CB;class CA;class CA{public: CA() {} ~CA() { PRINT_FUN(); } void Register(const std::shared_ptr & sp) { m_spb = sp; }private: std::weak_ptr m_spb;};class CB{public: CB() {}; ~CB() { PRINT_FUN(); }; void Register(const std::shared_ptr & sp) { m_spa = sp; }private: std::shared_ptr m_spa;};std::shared_ptr spa(new CA);std::shared_ptr spb(new CB);spb->Register(spa);spa->Register(spb);printf("%d\n", spb.use_count()); // 1printf("%d\n", spa.use_count()); // 2
另一个循环依赖的例子,来自<C++标准库(第2版)>
class Person : public enable_shared_from_this {public: Person(const string& name) : m_name{ name } { } ~Person() { cout << "release " << m_name << endl; } string getName() const { return m_name; } void setFather(shared_ptr f) { m_father = f; if (f) { f->m_kids.push_back(shared_from_this()); } } void setMother(shared_ptr m) { m_mother = m; if (m) { m->m_kids.push_back(shared_from_this()); } } shared_ptr getKid(size_t idx) { if (idx < m_kids.size()) { weak_ptr p = m_kids.at(idx); if (!p.expired()) { return p.lock(); } } return nullptr; }private: string m_name; shared_ptr m_father; shared_ptr m_mother; //vector > m_kids; // 循环依赖 vector > m_kids;};// 测试代码shared_ptr jack{ make_shared ("Jack") };shared_ptr lucy{ make_shared ("Lucy") };shared_ptr john{ make_shared ("John") };john->setFather(jack);john->setMother(lucy);auto p = jack->getKid(0);if (p){ cout << p->getName() << endl;}
附源码实现：
template class weak_ptr : public _Ptr_base<_Ty>{ // class for pointer to reference counted resource typedef typename _Ptr_base<_Ty>::_Elem _Elem;public: weak_ptr() { // construct empty weak_ptr object } template weak_ptr(const shared_ptr<_Ty2>& _Other, typename enable_if <_Ty2 *, _Ty *>::value, void *>::type * = 0) { // construct weak_ptr object for resource owned by _Other this->_Resetw(_Other); } weak_ptr(const weak_ptr& _Other) { // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other this->_Resetw(_Other); } template weak_ptr(const weak_ptr<_Ty2>& _Other, typename enable_if <_Ty2 *, _Ty *>::value, void *>::type * = 0) { // construct weak_ptr object for resource pointed to by _Other this->_Resetw(_Other); } ~weak_ptr() { // release resource this->_Decwref(); } weak_ptr& operator=(const weak_ptr& _Right) { // assign from _Right this->_Resetw(_Right); return (*this); } template weak_ptr& operator=(const weak_ptr<_Ty2>& _Right) { // assign from _Right this->_Resetw(_Right); return (*this); } template weak_ptr& operator=(shared_ptr<_Ty2>& _Right) { // assign from _Right this->_Resetw(_Right); return (*this); } void reset() { // release resource, convert to null weak_ptr object this->_Resetw(); } void swap(weak_ptr& _Other) { // swap pointers this->_Swap(_Other); } bool expired() const { // return true if resource no longer exists return (this->_Expired()); } shared_ptr<_Ty> lock() const { // convert to shared_ptr return (shared_ptr<_Elem>(*this, false)); }};
6. 如何选择智能指针？
在掌握了这几种智能指针后，大家可能会想另一个问题：在实际应用中，应使用哪种智能指针呢？
下面给出几个使用指南。
（1）如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，应选择shared_ptr。这样的情况包括：
- 有一个指针数组，并使用一些辅助指针来标示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；
- 两个对象包含都指向第三个对象的指针；
- STL容器包含指针。很多STL算法都支持复制和赋值操作，这些操作可用于shared_ptr，但不能用于unique_ptr（编译器发出warning）和auto_ptr（行为不确定）。如果你的编译器没有提供shared_ptr，可使用Boost库提供的shared_ptr。
（2）如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可使用unique_ptr。如果函数使用new分配内存，并返还指向该内存的指针，将其返回类型声明为unique_ptr是不错的选择。这样，所有权转让给接受返回值的unique_ptr，而该智能指针将负责调用delete。可将unique_ptr存储到STL容器在那个，只要不调用将一个unique_ptr复制或赋给另一个算法（如sort()）。例如，可在程序中使用类似于下面的代码段。
unique_ptr make_int(int n){ return unique_ptr (new int(n));}void show(unique_ptr &p1){ cout << *a << ' ';}int main(){ //... vector > vp(size); for (int i = 0; i < vp.size(); i++) vp[i] = make_int(rand() % 1000); // copy temporary unique_ptr vp.push_back(make_int(rand() % 1000)); // ok because arg is temporary for_each(vp.begin(), vp.end(), show); // use for_each() //...}
其中push_back调用没有问题，因为它返回一个临时unique_ptr，该unique_ptr被赋给vp中的一个unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用给show()传递对象，for_each()将非法，因为这将导致使用一个来自vp的非临时unique_ptr初始化pi，而这是不允许的。前面说过，编译器将发现错误使用unique_ptr的企图。
在unique_ptr为右值时，可将其赋给shared_ptr，这与将一个unique_ptr赋给一个需要满足的条件相同。与前面一样，在下面的代码中，make_int()的返回类型为unique_ptr<int>：
unique_ptr pup(make_int(rand() % 1000)); // okshared_ptr spp(pup); // not allowed, pup as lvalueshared_ptr spr(make_int(rand() % 1000)); // ok
模板shared_ptr包含一个显式构造函数，可用于将右值unique_ptr转换为shared_ptr。shared_ptr将接管原来归unique_ptr所有的对象。
在满足unique_ptr要求的条件时，也可使用auto_ptr，但unique_ptr是更好的选择。如果你的编译器没有unique_ptr，可考虑使用Boost库提供的scoped_ptr，它与unique_ptr类似。
转载地址：http://lvfci.baihongyu.com/