1.什么是智能指針

從比較簡(jiǎn)單的層面來(lái)看，智能指針是RAII(Resource Acquisition Is Initialization，資源獲取即初始化)機(jī)制對(duì)普通指針進(jìn)行的一層封裝。這樣使得智能指針的行為動(dòng)作像一個(gè)指針，本質(zhì)上卻是一個(gè)對(duì)象，這樣可以方便管理一個(gè)對(duì)象的生命周期。

在c++中，智能指針一共定義了4種：
auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr。其中，auto_ptr 在 C++11已被摒棄，在C++17中已經(jīng)移除不可用。

2.原始指針的問(wèn)題

原始指針的問(wèn)題大家都懂，就是如果忘記刪除，或者刪除的情況沒(méi)有考慮清楚，容易造成懸掛指針(dangling pointer)或者說(shuō)野指針(wild pointer)。

我們看個(gè)簡(jiǎn)單的例子

objtype *p = new objtype();
p -> func();
delete p;

上面的代碼結(jié)構(gòu)是我們經(jīng)常看到的。里面的問(wèn)題主要有以下兩點(diǎn)：

1.代碼的最后，忘記執(zhí)行delete p的操作。

2.第一點(diǎn)其實(shí)還好，比較容易發(fā)現(xiàn)也比較容易解決。比較麻煩的是，如果func()中有異常，delete p語(yǔ)句執(zhí)行不到，這就很難辦。有的同學(xué)說(shuō)可以在func中進(jìn)行刪除操作，理論上是可以這么做，實(shí)際操作起來(lái)，會(huì)非常麻煩也非常復(fù)雜。

此時(shí)，智能指針就可以方便我們控制指針對(duì)象的生命周期。在智能指針中，一個(gè)對(duì)象什么情況下被析構(gòu)或被刪除，是由指針本身決定的，并不需要用戶進(jìn)行手動(dòng)管理，是不是瞬間覺(jué)得幸福感提升了一大截，有點(diǎn)幸福來(lái)得太突然的意思，終于不用我自己手動(dòng)刪除指針了。

3.unique_ptr

unique_ptr是獨(dú)享被管理對(duì)象指針?biāo)袡?quán)(owership)的智能指針。unique_ptr對(duì)象封裝一個(gè)原始指針，并負(fù)責(zé)其生命周期。當(dāng)該對(duì)象被銷毀時(shí)，會(huì)在其析構(gòu)函數(shù)中刪除關(guān)聯(lián)的原始指針。

創(chuàng)建unique_ptr:

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

void f1() {
    unique_ptr<int> p(new int(5));
    cout<<*p<<endl;
}

上面的代碼就創(chuàng)建了一個(gè)unique_ptr。需要注意的是，unique_ptr沒(méi)有復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，不支持普通的拷貝和賦值操作。因?yàn)閡nique_ptr獨(dú)享被管理對(duì)象指針?biāo)袡?quán)，當(dāng)p2, p3失去p的所有權(quán)時(shí)會(huì)釋放對(duì)應(yīng)資源，此時(shí)會(huì)執(zhí)行兩次delete p的操作。

void f1() {
    unique_ptr<int> p(new int(5));
    cout<<*p<<endl;
    unique_ptr<int> p2(p);
    unique_ptr<int> p3 = p;
}

對(duì)于p2,p3對(duì)應(yīng)的行，IDE會(huì)提示報(bào)錯(cuò)

無(wú)法引用 函數(shù) "std::__1::unique_ptr<_Tp, _Dp>::unique_ptr(const std::__1::unique_ptr<int, std::__1::default_delete<int>> &) [其中 _Tp=int, _Dp=std::__1::default_delete<int>]" (已隱式聲明) -- 它是已刪除的函數(shù)

unique_ptr雖然不支持普通的拷貝和賦值操作，但卻可以將所有權(quán)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，使用std::move方法即可。

void f1() {
    unique_ptr<int> p(new int(5));
    unique_ptr<int> p2 = std::move(p);
    //error，此時(shí)p指針為空: cout<<*p<<endl; 
    cout<<*p2<<endl;
}

unique最常見(jiàn)的使用場(chǎng)景，就是替代原始指針，為動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的資源提供異常安全保證。

objtype *p = new objtype();
p -> func();
delete p

前面我們分析了這部分代碼的問(wèn)題，如果我們修改一下

unique_ptr<objtype> p(new objtype());
p -> func();
delete p

此時(shí)我們只要unique_ptr創(chuàng)建成功，unique_ptr對(duì)應(yīng)的析構(gòu)函數(shù)都能保證被調(diào)用，從而保證申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)資源能被釋放掉。

4.shared_ptr

我們提到的智能指針，很大程度上就是指的shared_ptr，shared_ptr也在實(shí)際應(yīng)用中廣泛使用。它的原理是使用引用計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)同一塊內(nèi)存的多個(gè)引用。在最后一個(gè)引用被釋放時(shí)，指向的內(nèi)存才釋放，這也是和 unique_ptr 最大的區(qū)別。當(dāng)對(duì)象的所有權(quán)需要共享(share)時(shí)，share_ptr可以進(jìn)行賦值拷貝。

shared_ptr使用引用計(jì)數(shù)，每一個(gè)shared_ptr的拷貝都指向相同的內(nèi)存。每使用他一次，內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)加1，每析構(gòu)一次，內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)減1，減為0時(shí)，刪除所指向的堆內(nèi)存。

std::shared_ptr<int> p4 = new int(1)

上面這種寫法是錯(cuò)誤的，因?yàn)橛疫叺玫降氖且粋€(gè)原始指針，前面我們講過(guò)shared_ptr本質(zhì)是一個(gè)對(duì)象，將一個(gè)指針賦值給一個(gè)對(duì)象是不行的。

void f2() {
    shared_ptr<int> p = make_shared<int>(1);
    shared_ptr<int> p2(p);
    shared_ptr<int> p3 = p;
}

以上寫法都是可以的

void f2() {
    shared_ptr<int> p = make_shared<int>(1);
    int *p2 = p.get();
    cout<<*p2<<endl;
}

上面的寫法，可以獲取shared_ptr的原始指針。

5.shared_ptr使用需要注意的點(diǎn)

5.1 不能將一個(gè)原始指針初始化多個(gè)shared_ptr

void f2() {
    int *p0 = new int(1);
    shared_ptr<int> p1(p0);
    shared_ptr<int> p2(p0);
    cout<<*p1<<endl;
}

上面代碼就會(huì)報(bào)錯(cuò)。原因也很簡(jiǎn)單，因?yàn)閜1,p2都要進(jìn)行析構(gòu)刪除，這樣會(huì)造成原始指針p0被刪除兩次，自然要報(bào)錯(cuò)。

5.2.循環(huán)引用問(wèn)題

shared_ptr最大的坑就是循環(huán)引用。引用網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)例子：

struct Father
{
    shared_ptr<Son> son_;
};

struct Son
{
    shared_ptr<Father> father_;
};

int main()
{
    auto father = make_shared<Father>();
    auto son = make_shared<Son>();

    father->son_ = son;
    son->father_ = father;

    return 0;
}

該部分代碼會(huì)有內(nèi)存泄漏問(wèn)題。原因是

1.main 函數(shù)退出之前，F(xiàn)ather 和 Son 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)都是 2。

2.son 指針?shù)N毀，這時(shí) Son 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)是 1。

3.father 指針?shù)N毀，這時(shí) Father 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)是 1。

4.由于 Father 對(duì)象和 Son 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)都是 1，這兩個(gè)對(duì)象都不會(huì)被銷毀，從而發(fā)生內(nèi)存泄露。

為避免循環(huán)引用導(dǎo)致的內(nèi)存泄露，就需要使用 weak_ptr。weak_ptr 并不擁有其指向的對(duì)象，也就是說(shuō)，讓 weak_ptr 指向 shared_ptr 所指向?qū)ο?，?duì)象的引用計(jì)數(shù)并不會(huì)增加。

使用 weak_ptr 就能解決前面提到的循環(huán)引用的問(wèn)題，方法很簡(jiǎn)單，只要讓 Son 或者 Father 包含的 shared_ptr 改成 weak_ptr 就可以了。

struct Father
{
    shared_ptr<Son> son_;
};

struct Son
{
    weak_ptr<Father> father_;
};

int main()
{
    auto father = make_shared<Father>();
    auto son = make_shared<Son>();

    father->son_ = son;
    son->father_ = father;

    return 0;
}

1.main 函數(shù)退出前，Son 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)是 2，而 Father 的引用計(jì)數(shù)是 1。

2.son 指針?shù)N毀，Son 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)變成 1。

3.father 指針?shù)N毀，F(xiàn)ather 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)變成 0，導(dǎo)致 Father 對(duì)象析構(gòu)，F(xiàn)ather 對(duì)象的析構(gòu)會(huì)導(dǎo)致它包含的 son_ 指針被銷毀，這時(shí) Son 對(duì)象的引用計(jì)數(shù)變成 0，所以 Son 對(duì)象也會(huì)被析構(gòu)。

6.智能指針小結(jié)

我們?cè)撊绾芜x擇智能指針：

如果程序要使用多個(gè)指向同一個(gè)對(duì)象的指針，應(yīng)選擇 shared_ptr。這樣的情況包括

1.有一個(gè)指針數(shù)組，并使用一些輔助指針來(lái)標(biāo)示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；

2.兩個(gè)對(duì)象包含都指向第三個(gè)對(duì)象的指針；

3.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(méi)有提供 shared_ptr，可使用 Boost 庫(kù)提供的 shared_ptr。

如果程序不需要多個(gè)指向同一個(gè)對(duì)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(cuò)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(fù)責(zé)調(diào)用 delete。

參考文獻(xiàn)

https://zhuanlan.zhihu.com/p/461837602

總結(jié)

到此這篇關(guān)于c++智能指針的文章就介紹到這了,更多相關(guān)c++智能指針內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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