C++ STL 四種智能指針的用法詳解
0.前言
C++ 標準模板庫 STL（Standard Template Library） 一共給我們提供了四種智能指針：auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr，其中 auto_ptr 是 C++98 提出的，C++11 已將其摒棄，并提出了 unique_ptr 替代 auto_ptr。雖然 auto_ptr 已被摒棄，但在實際項目中仍可使用，但建議使用更加安全的 unique_ptr，后文會詳細敘述。shared_ptr 和 weak_ptr 則是 C+11 從準標準庫 Boost 中引入的兩種智能指針。此外，Boost 庫還提出了 boost::scoped_ptr、boost::scoped_array、boost::intrusive_ptr 等智能指針，雖然尚未得到 C++ 標準采納，但是在開發(fā)實踐中可以使用。
1.unique_ptr
unique_ptr 由 C++11 引入，旨在替代不安全的 auto_ptr。unique_ptr 是一種定義在頭文件<memory>中的智能指針。它持有對對象的獨有權(quán)——兩個unique_ptr 不能指向一個對象，即 unique_ptr 不共享它所管理的對象。它無法復(fù)制到其他 unique_ptr，無法通過值傳遞到函數(shù)，也無法用于需要副本的任何標準模板庫 （STL）算法。只能移動 unique_ptr，即對資源管理權(quán)限可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。這意味著，內(nèi)存資源所有權(quán)可以轉(zhuǎn)移到另一個 unique_ptr，并且原始 unique_ptr 不再擁有此資源。實際使用中，建議將對象限制為由一個所有者所有，因為多個所有權(quán)會使程序邏輯變得復(fù)雜。因此，當(dāng)需要智能指針用于存 C++ 對象時，可使用 unique_ptr，構(gòu)造 unique_ptr 時，可使用 make_unique Helper 函數(shù)。
下圖演示了兩個 unique_ptr 實例之間的所有權(quán)轉(zhuǎn)換。
unique_ptr 與原始指針一樣有效，并可用于 STL 容器。將 unique_ptr 實例添加到 STL 容器運行效率很高，因為通過 unique_ptr 的移動構(gòu)造函數(shù)，不再需要進行復(fù)制操作。unique_ptr 指針與其所指對象的關(guān)系：在智能指針生命周期內(nèi)，可以改變智能指針所指對象，如創(chuàng)建智能指針時通過構(gòu)造函數(shù)指定、通過 reset 方法重新指定、通過 release 方法釋放所有權(quán)、通過移動語義轉(zhuǎn)移所有權(quán)，unique_ptr 還可能沒有對象，這種情況被稱為 empty。[ 6 ] ^{[6]} [6]。
unique_ptr的基本操作有：
// 智能指針的創(chuàng)建
unique_ptr<int> u_i; //創(chuàng)建空智能指針
u_i.reset(new int(3)); //綁定動態(tài)對象
unique_ptr<int> u_i2(new int(4));//創(chuàng)建時指定動態(tài)對象
unique_ptr<T,D> u(d); //創(chuàng)建空 unique_ptr，執(zhí)行類型為 T 的對象，用類型為 D 的對象 d 來替代默認的刪除器 delete
// 所有權(quán)的變化
int *p_i = u_i2.release(); //釋放所有權(quán)
unique_ptr<string> u_s(new string("abc"));
unique_ptr<string> u_s2 = std::move(u_s); //所有權(quán)轉(zhuǎn)移(通過移動語義)，u_s所有權(quán)轉(zhuǎn)移后，變成“空指針”
u_s2.reset(u_s.release()); //所有權(quán)轉(zhuǎn)移
u_s2=nullptr;//顯式銷毀所指對象，同時智能指針變?yōu)榭罩羔?。與u_s2.reset()等價
2.auto_ptr
auto_ptr 同樣是 STL 智能指針家族的成員之一，由 C++98 引入，定義在頭文件<memory>。其功能和用法類似于 unique_ptr，由 new expression 獲得對象，在 auto_ptr 對象銷毀時，他所管理的對象也會自動被 delete 掉。
auto_ptr 從 C++98 使用至今，為何從 C++11 開始，引入 unique_ptr 來替代 auto_ptr 呢？原因主要有如下幾點：
（1）基于安全考慮。
先來看下面的賦值語句:
auto_ptr< string> ps (new string ("I reigned lonely as a cloud.”）;
auto_ptr<string> vocation;
vocaticn = ps;
上述賦值語句將完成什么工作呢？如果 ps 和 vocation 是常規(guī)指針，則兩個指針將指向同一個 string 對象。這是不能接受的，因為程序?qū)⒃噲D刪除同一個對象兩次，一次是 ps 過期時，另一次是 vocation 過期時。要避免這種問題，方法有多種：
（a）定義陚值運算符，使之執(zhí)行深復(fù)制。這樣兩個指針將指向不同的對象，其中的一個對象是另一個對象的副本，缺點是浪費空間，所以智能指針都未采用此方案。
（b）建立所有權(quán)（ownership）概念。對于特定的對象，只能有一個智能指針可擁有，這樣只有擁有對象的智能指針的析構(gòu)函數(shù)會刪除該對象。然后讓賦值操作轉(zhuǎn)讓所有權(quán)。這就是用于 auto_ptr 和 unique_ptr 的策略，但 unique_ptr 的策略更嚴格。
（c）創(chuàng)建智能更高的指針，跟蹤引用特定對象的智能指針數(shù)。這稱為引用計數(shù)。例如，賦值時，計數(shù)將加 1，而指針過期時，計數(shù)將減 1,。當(dāng)減為 0 時才調(diào)用 delete。這是 shared_ptr 采用的策略。
當(dāng)然，同樣的策略也適用于復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，即auto_ptr<string> vocation(ps)時也需要上面的策略。每種方法都有其用途，但為何要摒棄 auto_ptr 呢？
下面舉個例子來說明。
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;
int main() {
auto_ptr<string> films[5] ={
auto_ptr<string> (new string("Fowl Balls")),
auto_ptr<string> (new string("Duck Walks")),
auto_ptr<string> (new string("Chicken Runs")),
auto_ptr<string> (new string("Turkey Errors")),
auto_ptr<string> (new string("Goose Eggs"))
};
auto_ptr<string> pwin;
pwin = films[2]; // films[2] loses ownership. 將所有權(quán)從films[2]轉(zhuǎn)讓給pwin，此時films[2]不再引用該字符串從而變成空指針
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;
return 0;
}
運行下發(fā)現(xiàn)程序崩潰了，原因在上面注釋已經(jīng)說的很清楚，films[2] 已經(jīng)是空指針了，下面輸出訪問空指針當(dāng)然會崩潰了。但這里如果把 auto_ptr 換成 shared_ptr 或 unique_ptr 后，程序就不會崩潰，原因如下：
使用 shared_ptr 時運行正常，因為 shared_ptr 采用引用計數(shù)，pwin 和 films[2] 都指向同一塊內(nèi)存，在釋放空間時因為事先要判斷引用計數(shù)值的大小因此不會出現(xiàn)多次刪除一個對象的錯誤。
使用 unique_ptr 時編譯出錯，與 auto_ptr 一樣，unique_ptr 也采用所有權(quán)模型，但在使用 unique_ptr 時，程序不會等到運行階段崩潰，而在編譯期因下述代碼行出現(xiàn)錯誤：
unique_ptr<string> pwin; pwin = films[2]; // films[2] loses ownership
指導(dǎo)你發(fā)現(xiàn)潛在的內(nèi)存錯誤。這就是為何要摒棄 auto_ptr 的原因，一句話總結(jié)就是：避免因潛在的內(nèi)存問題導(dǎo)致程序崩潰。
從上面可見，unique_ptr 比 auto_ptr 更加安全，因為 auto_ptr 有拷貝語義，拷貝后原對象變得無效，再次訪問原對象時會導(dǎo)致程序崩潰；unique_ptr 則禁止了拷貝語義，但提供了移動語義，即可以使用 std::move() 進行控制權(quán)限的轉(zhuǎn)移，如下代碼所示：
unique_ptr<string> upt(new string("lvlv"));
unique_ptr<string> upt1(upt); //編譯出錯，已禁止拷貝
unique_ptr<string> upt1=upt; //編譯出錯，已禁止拷貝
unique_ptr<string> upt1=std::move(upt); //控制權(quán)限轉(zhuǎn)移
auto_ptr<string> apt(new string("lvlv"));
auto_ptr<string> apt1(apt); //編譯通過
auto_ptr<string> apt1=apt; //編譯通過
這里要注意，在使用 std::move 將 unique_ptr 的控制權(quán)限轉(zhuǎn)移后，不能夠再通過 unique_ptr 來訪問和控制資源了，否則同樣會出現(xiàn)程序崩潰。我們可以在使用 unique_ptr 訪問資源前，使用成員函數(shù) get() 進行判空操作。
unique_ptr<string> upt1=std::move(upt); // 控制權(quán)限轉(zhuǎn)移
if(upt.get()!=nullptr) { // 判空操作更安全
// do something
}
（2）unique_ptr 不僅安全，而且靈活。
如果 unique_ptr 是個臨時右值，編譯器允許拷貝語義。參考如下代碼：
unique_ptr<string> demo(const char* s) {
unique_ptr<string> temp (new string(s))；
return temp；
}
// 假設(shè)編寫了如下代碼：
unique_ptr<string> ps;
ps = demo('Uniquely special")；
demo() 返回一個臨時 unique_ptr，然后 ps 接管了臨時對象 unique_ptr 所管理的資源，而返回時臨時的 unique_ptr 被銷毀，也就是說沒有機會使用 unique_ptr 來訪問無效的數(shù)據(jù)，換句話來說，這種賦值是不會出現(xiàn)任何問題的，即沒有理由禁止這種賦值。實際上，編譯器確實允許這種賦值。相對于 auto_ptr 任何情況下都允許拷貝語義，這正是 unique_ptr 更加靈活聰明的地方。
（3）擴展 auto_ptr 不能完成的功能。
（a）unique_ptr 可放在容器中，彌補了 auto_ptr 不能作為容器元素的缺點。
// 方式一
vector<unique_ptr<string>> vs { new string{“Doug”}, new string{“Adams”} };
// 方式二
vector<unique_ptr<string>>v;
unique_ptr<string> p1(new string("abc"));
（b）管理動態(tài)數(shù)組，因為 unique_ptr 有 unique_ptr<X[]> 重載版本，銷毀動態(tài)對象時調(diào)用 delete[]。
unique_ptr<int[]> p (new int[3]{1,2,3});
p[0] = 0;// 重載了operator[]
（c）自定義資源刪除操作（Deleter）。unique_ptr 默認的資源刪除操作是 delete/delete[]，若需要可以進行自定義：
void end_connection(connection *p) { disconnect(*p); } // 資源清理函數(shù)
// 資源清理器的類型
unique_ptr<connection, decltype(end_connection)*> p(&c, end_connection);// 傳入函數(shù)名，會自動轉(zhuǎn)換為函數(shù)指針
綜上所述，基于 unique_ptr 的安全性和擴充的功能，unique_ptr 成功的將 auto_ptr 取而代之。
3.shared_ptr
3.1 簡介
shared_ptr 是一個標準的共享所有權(quán)的智能指針，允許多個指針指向同一個對象，定義在 memory 文件中，命名空間為 std。shared_ptr最初實現(xiàn)于Boost庫中，后由 C++11 引入到 C++ STL。shared_ptr 利用引用計數(shù)的方式實現(xiàn)了對所管理的對象的所有權(quán)的分享，即允許多個 shared_ptr 共同管理同一個對象。像 shared_ptr 這種智能指針，《Effective C++》稱之為“引用計數(shù)型智能指針”（reference-counting smart pointer，RCSP）。
shared_ptr 是為了解決 auto_ptr 在對象所有權(quán)上的局限性（auto_ptr 是獨占的），在使用引用計數(shù)的機制上提供了可以共享所有權(quán)的智能指針，當(dāng)然這需要額外的開銷：
（1）shared_ptr 對象除了包括一個所擁有對象的指針外，還必須包括一個引用計數(shù)代理對象的指針；
（2）時間上的開銷主要在初始化和拷貝操作上， * 和 -> 操作符重載的開銷跟 auto_ptr 是一樣；
（3）開銷并不是我們不使用 shared_ptr 的理由,，永遠不要進行不成熟的優(yōu)化，直到性能分析器告訴你這一點。
3.2 通過輔助類模擬實現(xiàn) shared_ptr
（1）基礎(chǔ)對象類
首先，我們來定義一個基礎(chǔ)對象類 Point 類，為了方便后面我們驗證智能指針是否有效，我們?yōu)?Point 類創(chuàng)建如下接口：
class Point {
private:
int x, y;
public:
Point(int xVal = 0, int yVal = 0) :x(xVal), y(yVal) {}
int getX() const { return x; }
int getY() const { return y; }
void setX(int xVal) { x = xVal; }
void setY(int yVal) { y = yVal; }
};
（2）輔助類
在創(chuàng)建智能指針類之前，我們先創(chuàng)建一個輔助類。這個類的所有成員皆為私有類型，因為它不被普通用戶所使用。為了只為智能指針使用，還需要把智能指針類聲明為輔助類的友元。這個輔助類含有兩個數(shù)據(jù)成員：計數(shù) count 與基礎(chǔ)對象指針。也即輔助類用以封裝使用計數(shù)與基礎(chǔ)對象指針。
class RefPtr {
private:
friend class SmartPtr;
RefPtr(Point *ptr):p(ptr),count(1){}
~RefPtr(){delete p;}
int count;
Point *p;
};
（3）為基礎(chǔ)對象類實現(xiàn)智能指針類
引用計數(shù)是實現(xiàn)智能指針的一種通用方法。智能指針將一個計數(shù)器與類指向的對象相關(guān)聯(lián)，引用計數(shù)跟蹤共有多少個類對象共享同一指針。它的具體做法如下：
（a）當(dāng)創(chuàng)建智能指針類的新對象時，初始化指針，并將引用計數(shù)設(shè)置為1；
（b）當(dāng)能智能指針類對象作為另一個對象的副本時，拷貝構(gòu)造函數(shù)復(fù)制副本的指向輔助類對象的指針，并增加輔助類對象對基礎(chǔ)類對象的引用計數(shù)（加1）；
（c）使用賦值操作符對一個智能指針類對象進行賦值時，處理復(fù)雜一點：先使左操作數(shù)的引用計數(shù)減 1（為何減 1：因為指針已經(jīng)指向別的地方），如果減1后引用計數(shù)為 0，則釋放指針所指對象內(nèi)存。然后增加右操作數(shù)所指對象的引用計數(shù)（為何增加：因為此時做操作數(shù)指向?qū)ο蠹从也僮鲾?shù)指向?qū)ο螅?br />
（d）完成析構(gòu)函數(shù)：調(diào)用析構(gòu)函數(shù)時，析構(gòu)函數(shù)先使引用計數(shù)減 1，如果減至 0 則 delete 對象。
做好前面的準備后，我們可以為基礎(chǔ)對象類 Point 書寫一個智能指針類了。根據(jù)引用計數(shù)實現(xiàn)關(guān)鍵點，我們可以寫出如下智能指針類：
class SmartPtr {
public:
//構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr() { rp = nullptr; }
SmartPtr(Point *ptr):rp(new RefPtr(ptr)) {}
SmartPtr(const SmartPtr &sp):rp(sp.rp) {
++rp->count;
cout << "in copy constructor" <<endl;
}
// 重載賦值運算符
SmartPtr& operator=(const SmartPtr& rhs) {
++rhs.rp->count;
if (rp != nullptr && --rp->count == 0) {
delete rp;
}
rp = rhs.rp;
cout << "in assignment operator" << endl;
return *this;
}
// 重載->操作符
Point* operator->() {
return rp->p;
}
// 重載*操作符
Point& operator*() {
return *(rp->p);
}
~SmartPtr() {
if (--rp->count == 0) delete rp;
else cout << "還有" << rp->count << "個指針指向基礎(chǔ)對象" << endl;
}
private:
RefPtr* rp;
};
（4）智能指針類的使用與測試
至此，我們的智能指針類就完成了，我們可以來看看如何使用。
int main() {
//定義一個基礎(chǔ)對象類指針
Point *pa = new Point(10, 20);
// 定義三個智能指針類對象，對象都指向基礎(chǔ)類對象 pa
// 使用花括號控制三個智能指針的生命周期，觀察計數(shù)的變化
{
SmartPtr sptr1(pa);// 此時計數(shù) count=1
cout << "sptr1:" << sptr1->getX() << "," << sptr1->getY() <<endl;
{
SmartPtr sptr2(sptr1); // 調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)，此時計數(shù)為 count=2
cout<< "sptr2:" << sptr2->getX() << "," << sptr2->getY() <<endl;
{
SmartPtr sptr3;
SmartPtr sptr3=sptr1; // 調(diào)用賦值操作符，此時計數(shù)為 conut=3
cout<<"sptr3:"<<(*sptr3).getX()<<","<<(*sptr3).getY()<<endl;
}
//此時count=2
}
//此時count=1；
}
// 此時count=0；對象 pa 被 delete 掉
cout << pa->getX() << endl;
return 0;
}
運行結(jié)果：
sptr1:10,20
in copy constructor
sptr2:10,20
in assignment operator
sptr3:10,20
還有2個指針指向基礎(chǔ)對象
還有1個指針指向基礎(chǔ)對象
-572662307
如期，在離開大括號后，共享基礎(chǔ)對象的指針從 3->2->1->0 變換，最后計數(shù)為 0 時，pa 對象被 delete，此時使用 getX() 已經(jīng)獲取不到原來的值。
（5）對智能指針的改進
目前這個智能指針只能用于管理 Point 類的基礎(chǔ)對象，如果此時定義了個矩陣的基礎(chǔ)對象類，那不是還得重新寫一個屬于矩陣類的智能指針類嗎？但是矩陣類的智能指針類設(shè)計思想和 Poin t類一樣啊，就不能借用嗎？答案當(dāng)然是能，那就是使用模板技術(shù)。為了使我們的智能指針適用于更多的基礎(chǔ)對象類，我們有必要把智能指針類通過模板來實現(xiàn)。這里貼上上面智能指針類的模板版本：
//模板類作為友元時要先有聲明
template <typename T> class SmartPtr;
//輔助類
template <typename T> class RefPtr {
private:
//該類成員訪問權(quán)限全部為private，因為不想讓用戶直接使用該類
friend class SmartPtr<T>; //定義智能指針類為友元，因為智能指針類需要直接操縱輔助類
//構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)為基礎(chǔ)對象的指針
RefPtr(T *ptr):p(ptr), count(1){}
//析構(gòu)函數(shù)
~RefPtr() {
delete p;
}
//引用計數(shù)
int count;
//基礎(chǔ)對象指針
T *p;
};
// 智能指針類
template<typename T> class SmartPtr {
public:
// 構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr(T *ptr):rp(new RefPtr<T>(ptr))
{}
// 拷貝構(gòu)造函數(shù)
SmartPtr(const SmartPtr<T> &sp):rp(sp.rp)
{
++rp->count;
}
//重載賦值操作符
SmartPtr& operator=(const SmartPtr<T>& rhs)
{
++rhs.rp->count; //首先將右操作數(shù)引用計數(shù)加1，
if (--rp->count == 0) //然后將引用計數(shù)減1，可以應(yīng)對自賦值
delete rp;
rp = rhs.rp;
return *this;
}
// 重載*操作符
T & operator *()
{
return *(rp->p);
}
// 重載->操作符
T* operator ->()
{
return rp->p;
}
// 析構(gòu)函數(shù)
~SmartPtr() {
if (--rp->count == 0) { // 當(dāng)引用計數(shù)減為 0 時，刪除輔助類對象指針，從而刪除基礎(chǔ)對象
delete rp;
} else {
cout << "還有" << rp->count << "個指針指向基礎(chǔ)對象" << endl;
}
}
private:
RefPtr<T> *rp; //輔助類對象指針
};
現(xiàn)在使用智能指針類模板來共享其它類型的基礎(chǔ)對象，以 int 為例：
int main() {
// 定義一個基礎(chǔ)對象類指針
int* ia = new int(10);
{
SmartPtr<int> sptr1(ia);
cout <<"sptr1:"<<*sptr1<<endl;
{
SmartPtr<int> sptr2(sptr1);
cout <<"sptr2:"<<*sptr2<<endl;
*sptr2=5;
{
SmartPtr<int> sptr3=sptr1;
cout <<"sptr3:"<<*sptr3<<endl;
}
}
}
// 此時count=0，pa 對象被 delete 掉
cout << *ia << endl;
return 0;
}
測試結(jié)果如下：
sptr1:10
sptr2:10
sptr3:5
還有2個指針指向基礎(chǔ)對象
還有1個指針指向基礎(chǔ)對象
3968064
4.weak_ptr
4.1 簡介
weak_ptr 被設(shè)計為與 shared_ptr 共同工作，可以從一個 shared_ptr 或者另一個 weak_ptr 對象構(gòu)造而來。weak_ptr 是為了配合 shared_ptr 而引入的一種智能指針，它更像是 shared_ptr 的一個助手而不是智能指針，因為它不具有普通指針的行為，沒有重載 operator* 和 operator-> ，因此取名為 weak，表明其是功能較弱的智能指針。它的最大作用在于協(xié)助 shared_ptr 工作，可獲得資源的觀測權(quán)，像旁觀者那樣觀測資源的使用情況。觀察者意味著 weak_ptr 只對 shared_ptr 進行引用，而不改變其引用計數(shù)，當(dāng)被觀察的 shared_ptr 失效后，相應(yīng)的 weak_ptr 也相應(yīng)失效。
4.2 用法
使用 weak_ptr 的成員函數(shù) use_count() 可以觀測資源的引用計數(shù)，另一個成員函數(shù) expired() 的功能等價于 use_count()==0，但更快，表示被觀測的資源（也就是 shared_ptr 管理的資源）已經(jīng)不復(fù)存在。weak_ptr 可以使用一個非常重要的成員函數(shù)lock()從被觀測的 shared_ptr 獲得一個可用的 shared_ptr 管理的對象， 從而操作資源。但當(dāng) expired()==true 的時候，lock() 函數(shù)將返回一個存儲空指針的 shared_ptr。總的來說，weak_ptr 的基本用法總結(jié)如下：
weak_ptr<T> w; //創(chuàng)建空 weak_ptr，可以指向類型為 T 的對象 weak_ptr<T> w(sp); //與 shared_ptr 指向相同的對象，shared_ptr 引用計數(shù)不變。T必須能轉(zhuǎn)換為 sp 指向的類型 w=p; //p 可以是 shared_ptr 或 weak_ptr，賦值后 w 與 p 共享對象 w.reset(); //將 w 置空 w.use_count(); //返回與 w 共享對象的 shared_ptr 的數(shù)量 w.expired(); //若 w.use_count() 為 0，返回 true，否則返回 false w.lock(); //如果 expired() 為 true，返回一個空 shared_ptr，否則返回非空 shared_ptr
下面是一個簡單的使用示例：
#include < assert.h>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
shared_ptr<int> sp(new int(10));
assert(sp.use_count() == 1);
weak_ptr<int> wp(sp); //從 shared_ptr 創(chuàng)建 weak_ptr
assert(wp.use_count() == 1);
if (!wp.expired()) //判斷 weak_ptr 觀察的對象是否失效
{
shared_ptr<int> sp2 = wp.lock();//獲得一個shared_ptr
*sp2 = 100;
assert(wp.use_count() == 2);
}
assert(wp.use_count() == 1);
cout << "int:" << *sp << endl;
return 0;
}
程序輸出：
int：100
從上面可以看到，盡管以 shared_ptr 來構(gòu)造 weak_ptr，但是 weak_ptr 內(nèi)部的引用計數(shù)并沒有什么變化。
4.3 作用
現(xiàn)在要說的問題是，weak_ptr 到底有什么作用呢？從上面那個例子看來，似乎沒有任何作用。其實 weak_ptr 可用于打破循環(huán)引用。引用計數(shù)是一種便利的內(nèi)存管理機制，但它有一個很大的缺點，那就是不能管理循環(huán)引用的對象。一個簡單的例子如下：
#include <iostream>
#include <memory>
class Woman;
class Man {
private:
//std::weak_ptr<Woman> _wife;
std::shared_ptr<Woman> _wife;
public:
void setWife(std::shared_ptr<Woman> woman) {
_wife = woman;
}
void doSomthing() {
if(_wife.lock()){}
}
~Man() {
std::cout << "kill man\n";
}
};
class Woman {
private:
//std::weak_ptr<Man> _husband;
std::shared_ptr<Man> _husband;
public:
void setHusband(std::shared_ptr<Man> man) {
_husband = man;
}
~Woman() {
std::cout <<"kill woman\n";
}
};
int main(int argc, char** argv) {
std::shared_ptr<Man> m(new Man());
std::shared_ptr<Woman> w(new Woman());
if(m && w) {
m->setWife(w);
w->setHusband(m);
}
return 0;
}
在 Man 類內(nèi)部會引用一個 Woman，Woman 類內(nèi)部也引用一個 Man。當(dāng)一個 man 和一個 woman 是夫妻的時候，他們直接就存在了相互引用問題。man 內(nèi)部有個用于管理wife生命期的 shared_ptr 變量，也就是說 wife 必定是在 husband 去世之后才能去世。同樣的，woman 內(nèi)部也有一個管理 husband 生命期的 shared_ptr 變量，也就是說 husband 必須在 wife 去世之后才能去世。這就是循環(huán)引用存在的問題：husband 的生命期由 wife 的生命期決定，wife 的生命期由 husband 的生命期決定，最后兩人都死不掉，違反了自然規(guī)律，導(dǎo)致了內(nèi)存泄漏。
一般來講，解除這種循環(huán)引用有下面三種可行的方法：
（1）當(dāng)只剩下最后一個引用的時候需要手動打破循環(huán)引用釋放對象。
（2）當(dāng) parent 的生存期超過 children 的生存期的時候，children 改為使用一個普通指針指向 parent。
（3）使用弱引用的智能指針打破這種循環(huán)引用。
雖然這三種方法都可行，但方法 1 和方法 2 都需要程序員手動控制，麻煩且容易出錯。這里主要介紹一下第三種方法，使用弱引用的智能指針std:weak_ptr 來打破循環(huán)引用。
weak_ptr 對象引用資源時不會增加引用計數(shù)，但是它能夠通過 lock() 方法來判斷它所管理的資源是否被釋放。做法就是上面的代碼注釋的地方取消注釋，取消 Woman 類或者 Man 類的任意一個即可，也可同時取消注釋，全部換成弱引用 weak_ptr。
另外很自然地一個問題是：既然 weak_ptr 不增加資源的引用計數(shù)，那么在使用 weak_ptr 對象的時候，資源被突然釋放了怎么辦呢？不用擔(dān)心，因為不能直接通過 weak_ptr 來訪問資源。那么如何通過 weak_ptr 來間接訪問資源呢？答案是在需要訪問資源的時候 weak_ptr 為你生成一個shared_ptr，shared_ptr 能夠保證在 shared_ptr 沒有被釋放之前，其所管理的資源是不會被釋放的。創(chuàng)建 shared_ptr 的方法就是 lock() 成員函數(shù)。
注意： shared_ptr 實現(xiàn)了 operator bool() const 方法來判斷被管理的資源是否已被釋放。
5.如何選擇智能指針
上文簡單地介紹了 C++ STL 的四種智能指針。當(dāng)然，除了 STL 的智能指針，C++ 準標準庫 Boost 的智能指針，比如 boost::scoped_ptr、boost::shared_array、boost::intrusive_ptr 也可以在編程實踐中拿來使用，但這里不做進一步的介紹，有興趣的讀者可以參考：C++ 智能指針詳解。
在了解 STL 的四種智能指針后，大家可能會想另一個問題：在實際應(yīng)用中，應(yīng)使用哪種智能指針呢？
下面給出幾個使用指南。
（1）如果程序要使用多個指向同一個對象的指針，應(yīng)選擇 shared_ptr。這樣的情況包括：
（a）將指針作為參數(shù)或者函數(shù)的返回值進行傳遞的話，應(yīng)該使用 shared_ptr；
（b）兩個對象都包含指向第三個對象的指針，此時應(yīng)該使用 shared_ptr 來管理第三個對象；
（c）STL 容器包含指針。很多 STL 算法都支持復(fù)制和賦值操作，這些操作可用于 shared_ptr，但不能用于 unique_ptr（編譯器發(fā)出 warning）和 auto_ptr（行為不確定）。如果你的編譯器沒有提供 shared_ptr，可使用 Boost 庫提供的 shared_ptr。
（2）如果程序不需要多個指向同一個對象的指針，則可使用 unique_ptr。如果函數(shù)使用 new 分配內(nèi)存，并返還指向該內(nèi)存的指針，將其返回類型聲明為 unique_ptr 是不錯的選擇。這樣，所有權(quán)轉(zhuǎn)讓給接受返回值的 unique_ptr，而該智能指針將負責(zé)調(diào)用 delete。可將 unique_ptr 存儲到 STL 容器中，只要對容器元素不使用拷貝操作的算法即可（如 sort()）。例如，可在程序中使用類似于下面的代碼段。
unique_ptr<int> make_int(int n) {
return unique_ptr<int>(new int(n));
}
void show(unique_ptr<int>& p1) {
cout << *p1 << ' ';
}
int main() {
//...
vector<unique_ptr<int>> 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 調(diào)用沒有問題，因為它返回一個臨時 unique_ptr，該 unique_ptr 被賦給 vp 中的一個 unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用給 show() 傳遞對象，for_each() 將非法，因為這將導(dǎo)致使用一個來自 vp 的非臨時 unique_ptr 初始化 pi，而這是不允許的。前面說過，編譯器將發(fā)現(xiàn)錯誤使用 unique_ptr 的企圖。
在 unique_ptr 為右值時，可將其賦給 shared_ptr，這與將一個 unique_ptr 賦給另一個 unique_ptr 需要滿足的條件相同，即 unique_ptr 必須是一個臨時對象。與前面一樣，在下面的代碼中，make_int() 的返回類型為 unique_ptr<int>：
unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000)); // ok shared_ptr<int> spp(pup); // not allowed, pup as lvalue shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000)); // ok
模板 shared_ptr 包含一個顯式構(gòu)造函數(shù)，可用于將右值 unique_ptr 轉(zhuǎn)換為 shared_ptr。shared_ptr 將接管原來歸 unique_ptr 所有的對象。
在滿足 unique_ptr 要求的條件時，也可使用 auto_ptr，但 unique_ptr 是更好的選擇。如果你的編譯器沒有unique_ptr，可考慮使用 Boost 庫提供的 scoped_ptr，它與 unique_ptr 類似。
（3）雖然說在滿足 unique_ptr 要求的條件時，使用 auto_ptr 也可以完成對內(nèi)存資源的管理，但是因為 auto_ ptr 不夠安全，不提倡使用，即任何情況下都不應(yīng)該使用 auto_ptr。
（4）為了解決 shared_ptr 的循環(huán)引用問題，我們可以祭出 weak_ptr。
（5）在局部作用域（例如函數(shù)內(nèi)部或類內(nèi)部），且不需要將指針作為參數(shù)或返回值進行傳遞的情況下，如果對性能要求嚴格，使用 scoped_ptr 的開銷較 shared_ptr 會小一些。
參考文獻
[1] Stanley B.Lippman著,王剛,楊巨峰譯.C++ Primer(第五版).2013.P400-422
[2] Scott Meyers著，侯捷譯.Effective C++中文版(第三版).2011.P61-7
以上就是C++ STL 四種智能指針的用法詳解的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于C++ 智能指針的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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