淺析Boost智能指針:scoped_ptr shared_ptr weak_ptr
一. scoped_ptr
boost::scoped_ptr和std::auto_ptr非常類似，是一個(gè)簡(jiǎn)單的智能指針，它能夠保證在離開(kāi)作用域后對(duì)象被自動(dòng)釋放。下列代碼演示了該指針的基本應(yīng)用：
#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/scoped_ptr.hpp>
class implementation
{
public:
~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};
void test()
{
boost::scoped_ptr<implementation> impl(new implementation());
impl->do_something();
}
void main()
{
std::cout<<"Test Begin ... \n";
test();
std::cout<<"Test End.\n";
}
該代碼的輸出結(jié)果是：
Test Begin ...
did something
destroying implementation
Test End.
可以看到：當(dāng)implementation類離其開(kāi)impl作用域的時(shí)候，會(huì)被自動(dòng)刪除，這樣就會(huì)避免由于忘記手動(dòng)調(diào)用delete而造成內(nèi)存泄漏了。
boost::scoped_ptr特點(diǎn)：
boost::scoped_ptr的實(shí)現(xiàn)和std::auto_ptr非常類似，都是利用了一個(gè)棧上的對(duì)象去管理一個(gè)堆上的對(duì)象，從而使得堆上的對(duì)象隨著棧上的對(duì)象銷毀時(shí)自動(dòng)刪除。不同的是，boost::scoped_ptr有著更嚴(yán)格的使用限制——不能拷貝。這就意味著：boost::scoped_ptr指針是不能轉(zhuǎn)換其所有權(quán)的。
1.不能轉(zhuǎn)換所有權(quán)
boost::scoped_ptr所管理的對(duì)象生命周期僅僅局限于一個(gè)區(qū)間（該指針?biāo)诘?{}"之間），無(wú)法傳到區(qū)間之外，這就意味著boost::scoped_ptr對(duì)象是不能作為函數(shù)的返回值的（std::auto_ptr可以）。
2.不能共享所有權(quán)
這點(diǎn)和std::auto_ptr類似。這個(gè)特點(diǎn)一方面使得該指針簡(jiǎn)單易用。另一方面也造成了功能的薄弱——不能用于stl的容器中。
3.不能用于管理數(shù)組對(duì)象
由于boost::scoped_ptr是通過(guò)delete來(lái)刪除所管理對(duì)象的，而數(shù)組對(duì)象必須通過(guò)deletep[]來(lái)刪除，因此boost::scoped_ptr是不能管理數(shù)組對(duì)象的，如果要管理數(shù)組對(duì)象需要使用boost::scoped_array類。
boost::scoped_ptr的常用操作：
可以簡(jiǎn)化為如下形式：
namespace boost {
template<typename T> class scoped_ptr : noncopyable {
public:
explicit scoped_ptr(T* p = 0);
~scoped_ptr();
void reset(T* p = 0);
T& operator*() const;
T* operator->() const;
T* get() const;
void swap(scoped_ptr& b);
};
template<typename T>
void swap(scoped_ptr<T> & a, scoped_ptr<T> & b);
}
它的常用操作如下：
|
成員函數(shù) |
功能 |
|
operator*() |
以引用的形式訪問(wèn)所管理的對(duì)象的成員 |
|
operator->() |
以指針的形式訪問(wèn)所管理的對(duì)象的成員 |
|
get() |
釋放所管理的對(duì)象，管理另外一個(gè)對(duì)象 |
|
swap(scoped_ptr& b) |
交換兩個(gè)boost::scoped_ptr管理的對(duì)象 |
下列測(cè)試代碼演示了這些功能函數(shù)的基本使用方法。
#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/scoped_ptr.hpp>
#include <boost/scoped_array.hpp>
#include <boost/config.hpp>
#include <boost/detail/lightweight_test.hpp>
void test()
{
// test scoped_ptr with a built-in type
long * lp = new long;
boost::scoped_ptr<long> sp ( lp );
BOOST_TEST( sp.get() == lp );
BOOST_TEST( lp == sp.get() );
BOOST_TEST( &*sp == lp );
*sp = 1234568901L;
BOOST_TEST( *sp == 1234568901L );
BOOST_TEST( *lp == 1234568901L );
long * lp2 = new long;
boost::scoped_ptr<long> sp2 ( lp2 );
sp.swap(sp2);
BOOST_TEST( sp.get() == lp2 );
BOOST_TEST( sp2.get() == lp );
sp.reset(NULL);
BOOST_TEST( sp.get() == NULL );
}
void main()
{
test();
}
boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的選?。?BR>boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的功能和操作都非常類似，如何在他們之間選取取決于是否需要轉(zhuǎn)移所管理的對(duì)象的所有權(quán)（如是否需要作為函數(shù)的返回值）。如果沒(méi)有這個(gè)需要的話，大可以使用boost::scoped_ptr，讓編譯器來(lái)進(jìn)行更嚴(yán)格的檢查，來(lái)發(fā)現(xiàn)一些不正確的賦值操作。
二. shared_ptr
boost::scoped_ptr雖然簡(jiǎn)單易用，但它不能共享所有權(quán)的特性卻大大限制了其使用范圍，而boost::shared_ptr可以解決這一局限。顧名思義，boost::shared_ptr是可以共享所有權(quán)的智能指針，首先讓我們通過(guò)一個(gè)例子看看它的基本用法：
#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>
class implementation
{
public:
~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};
void test()
{
boost::shared_ptr<implementation> sp1(new implementation());
std::cout<<"The Sample now has "<<sp1.use_count()<<" references\n";
boost::shared_ptr<implementation> sp2 = sp1;
std::cout<<"The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";
sp1.reset();
std::cout<<"After Reset sp1. The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references\n";
sp2.reset();
std::cout<<"After Reset sp2.\n";
}
void main()
{
test();
}
該程序的輸出結(jié)果如下：
The Sample now has 1 references
The Sample now has 2 references
After Reset sp1. The Sample now has 1 references
destroying implementation
After Reset sp2.
可以看到，boost::shared_ptr指針sp1和sp2同時(shí)擁有了implementation對(duì)象的訪問(wèn)權(quán)限，且當(dāng)sp1和sp2都釋放對(duì)該對(duì)象的所有權(quán)時(shí)，其所管理的的對(duì)象的內(nèi)存才被自動(dòng)釋放。在共享對(duì)象的訪問(wèn)權(quán)限同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了其內(nèi)存的自動(dòng)管理。
boost::shared_ptr的內(nèi)存管理機(jī)制：
boost::shared_ptr的管理機(jī)制其實(shí)并不復(fù)雜，就是對(duì)所管理的對(duì)象進(jìn)行了引用計(jì)數(shù)，當(dāng)新增一個(gè)boost::shared_ptr對(duì)該對(duì)象進(jìn)行管理時(shí)，就將該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)加一；減少一個(gè)boost::shared_ptr對(duì)該對(duì)象進(jìn)行管理時(shí)，就將該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減一，如果該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，說(shuō)明沒(méi)有任何指針對(duì)其管理，才調(diào)用delete釋放其所占的內(nèi)存。
上面的那個(gè)例子可以的圖示如下：
1.sp1對(duì)implementation對(duì)象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)為1
2.增加sp2對(duì)implementation對(duì)象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)增加為2
3.sp1釋放對(duì)implementation對(duì)象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)變?yōu)?
4.sp2釋放對(duì)implementation對(duì)象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)變?yōu)?，該對(duì)象被自動(dòng)刪除
boost::shared_ptr的特點(diǎn)：
和前面介紹的boost::scoped_ptr相比，boost::shared_ptr可以共享對(duì)象的所有權(quán)，因此其使用范圍基本上沒(méi)有什么限制（還是有一些需要遵循的使用規(guī)則，下文中介紹），自然也可以使用在stl的容器中。另外它還是線程安全的，這點(diǎn)在多線程程序中也非常重要。
boost::shared_ptr的使用規(guī)則：
boost::shared_ptr并不是絕對(duì)安全，下面幾條規(guī)則能使我們更加安全的使用boost::shared_ptr：
1.避免對(duì)shared_ptr所管理的對(duì)象的直接內(nèi)存管理操作，以免造成該對(duì)象的重釋放
2.shared_ptr并不能對(duì)循環(huán)引用的對(duì)象內(nèi)存自動(dòng)管理（這點(diǎn)是其它各種引用計(jì)數(shù)管理內(nèi)存方式的通?。?BR>3.不要構(gòu)造一個(gè)臨時(shí)的shared_ptr作為函數(shù)的參數(shù)。
如下列代碼則可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏：
void test()
{
foo(boost::shared_ptr<implementation>(new implementation()),g());
}
正確的用法為：
void test()
{
boost::shared_ptr<implementation> sp (new implementation());
foo(sp,g());
}
三. weak_ptr
循環(huán)引用：
引用計(jì)數(shù)是一種便利的內(nèi)存管理機(jī)制，但它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，那就是不能管理循環(huán)引用的對(duì)象。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子如下：
#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>
#include <boost/weak_ptr.hpp>
class parent;
class children;
typedef boost::shared_ptr<parent> parent_ptr;
typedef boost::shared_ptr<children> children_ptr;
class parent
{
public:
~parent() { std::cout <<"destroying parent\n"; }
public:
children_ptr children;
};
class children
{
public:
~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }
public:
parent_ptr parent;
};
void test()
{
parent_ptr father(new parent());
children_ptr son(new children);
father->children = son;
son->parent = father;
}
void main()
{
std::cout<<"begin test...\n";
test();
std::cout<<"end test.\n";
}
運(yùn)行該程序可以看到，即使退出了test函數(shù)后，由于parent和children對(duì)象互相引用，它們的引用計(jì)數(shù)都是1，不能自動(dòng)釋放，并且此時(shí)這兩個(gè)對(duì)象再無(wú)法訪問(wèn)到。這就引起了c++中那臭名昭著的內(nèi)存泄漏。
一般來(lái)講，解除這種循環(huán)引用有下面有三種可行的方法：
1.當(dāng)只剩下最后一個(gè)引用的時(shí)候需要手動(dòng)打破循環(huán)引用釋放對(duì)象。
2.當(dāng)parent的生存期超過(guò)children的生存期的時(shí)候，children改為使用一個(gè)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(dòng)控制，麻煩且容易出錯(cuò)。這里主要介紹一下第三種方法和boost中的弱引用的智能指針boost::weak_ptr。
強(qiáng)引用和弱引用
一個(gè)強(qiáng)引用當(dāng)被引用的對(duì)象活著的話，這個(gè)引用也存在（就是說(shuō)，當(dāng)至少有一個(gè)強(qiáng)引用，那么這個(gè)對(duì)象就不能被釋放）。boost::share_ptr就是強(qiáng)引用。
相對(duì)而言，弱引用當(dāng)引用的對(duì)象活著的時(shí)候不一定存在。僅僅是當(dāng)它存在的時(shí)候的一個(gè)引用。弱引用并不修改該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)，這意味這弱引用它并不對(duì)對(duì)象的內(nèi)存進(jìn)行管理，在功能上類似于普通指針，然而一個(gè)比較大的區(qū)別是，弱引用能檢測(cè)到所管理的對(duì)象是否已經(jīng)被釋放，從而避免訪問(wèn)非法內(nèi)存。
boost::weak_ptr
boost::weak_ptr<T>是boost提供的一個(gè)弱引用的智能指針，它的聲明可以簡(jiǎn)化如下：
namespace boost {
template<typename T> class weak_ptr {
public:
template <typename Y>
weak_ptr(const shared_ptr<Y>& r);
weak_ptr(const weak_ptr& r);
~weak_ptr();
T* get() const;
bool expired() const;
shared_ptr<T> lock() const;
};
}
可以看到，boost::weak_ptr必須從一個(gè)boost::share_ptr或另一個(gè)boost::weak_ptr轉(zhuǎn)換而來(lái)，這也說(shuō)明，進(jìn)行該對(duì)象的內(nèi)存管理的是那個(gè)強(qiáng)引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了對(duì)管理對(duì)象的一個(gè)訪問(wèn)手段。
boost::weak_ptr除了對(duì)所管理對(duì)象的基本訪問(wèn)功能（通過(guò)get()函數(shù)）外，還有兩個(gè)常用的功能函數(shù)：expired()用于檢測(cè)所管理的對(duì)象是否已經(jīng)釋放；lock()用于獲取所管理的對(duì)象的強(qiáng)引用指針。
通過(guò)boost::weak_ptr來(lái)打破循環(huán)引用
由于弱引用不更改引用計(jì)數(shù)，類似普通指針，只要把循環(huán)引用的一方使用弱引用，即可解除循環(huán)引用。對(duì)于上面的那個(gè)例子來(lái)說(shuō)，只要把children的定義改為如下方式，即可解除循環(huán)引用：
class children
{
public:
~children() { std::cout <<"destroying children\n"; }
public:
boost::weak_ptr<parent> parent;
};
最后值得一提的是,雖然通過(guò)弱引用指針可以有效的解除循環(huán)引用，但這種方式必須在程序員能預(yù)見(jiàn)會(huì)出現(xiàn)循環(huán)引用的情況下才能使用，也可以是說(shuō)這個(gè)僅僅是一種編譯期的解決方案，如果程序在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了循環(huán)引用，還是會(huì)造成內(nèi)存泄漏的。因此，不要認(rèn)為只要使用了智能指針便能杜絕內(nèi)存泄漏。畢竟，對(duì)于C++來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有垃圾回收機(jī)制，內(nèi)存泄漏對(duì)每一個(gè)程序員來(lái)說(shuō)都是一個(gè)非常頭痛的問(wèn)題。
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