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，是一個簡單的智能指針，它能夠保證在離開作用域后對象被自動釋放。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impl作用域的時候，會被自動刪除，這樣就會避免由于忘記手動調(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，都是利用了一個棧上的對象去管理一個堆上的對象，從而使得堆上的對象隨著棧上的對象銷毀時自動刪除。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所管理的對象生命周期僅僅局限于一個區(qū)間（該指針?biāo)诘?{}"之間），無法傳到區(qū)間之外，這就意味著boost::scoped_ptr對象是不能作為函數(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。這個特點(diǎn)一方面使得該指針簡單易用。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)組對象
由于boost::scoped_ptr是通過delete來刪除所管理對象的，而數(shù)組對象必須通過deletep[]來刪除，因此boost::scoped_ptr是不能管理數(shù)組對象的，如果要管理數(shù)組對象需要使用boost::scoped_array類。
boost::scoped_ptr的常用操作：
可以簡化為如下形式：
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*() |
以引用的形式訪問所管理的對象的成員 |
|
operator->() |
以指針的形式訪問所管理的對象的成員 |
|
get() |
釋放所管理的對象，管理另外一個對象 |
|
swap(scoped_ptr& b) |
交換兩個boost::scoped_ptr管理的對象 |
下列測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)移所管理的對象的所有權(quán)（如是否需要作為函數(shù)的返回值）。如果沒有這個需要的話，大可以使用boost::scoped_ptr，讓編譯器來進(jìn)行更嚴(yán)格的檢查，來發(fā)現(xiàn)一些不正確的賦值操作。
二. shared_ptr
boost::scoped_ptr雖然簡單易用，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，首先讓我們通過一個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同時擁有了implementation對象的訪問權(quán)限，且當(dāng)sp1和sp2都釋放對該對象的所有權(quán)時，其所管理的的對象的內(nèi)存才被自動釋放。在共享對象的訪問權(quán)限同時，也實(shí)現(xiàn)了其內(nèi)存的自動管理。
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，就是對所管理的對象進(jìn)行了引用計(jì)數(shù)，當(dāng)新增一個boost::shared_ptr對該對象進(jìn)行管理時，就將該對象的引用計(jì)數(shù)加一；減少一個boost::shared_ptr對該對象進(jìn)行管理時，就將該對象的引用計(jì)數(shù)減一，如果該對象的引用計(jì)數(shù)為0的時候，說明沒有任何指針對其管理，才調(diào)用delete釋放其所占的內(nèi)存。
上面的那個例子可以的圖示如下：
1.sp1對implementation對象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)為1
2.增加sp2對implementation對象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)增加為2
3.sp1釋放對implementation對象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)變?yōu)?
4.sp2釋放對implementation對象進(jìn)行管理，其引用計(jì)數(shù)變?yōu)?，該對象被自動刪除
boost::shared_ptr的特點(diǎn)：
和前面介紹的boost::scoped_ptr相比，boost::shared_ptr可以共享對象的所有權(quán)，因此其使用范圍基本上沒有什么限制（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shared_ptr所管理的對象的直接內(nèi)存管理操作，以免造成該對象的重釋放
2.shared_ptr并不能對循環(huán)引用的對象內(nèi)存自動管理（這點(diǎn)是其它各種引用計(jì)數(shù)管理內(nèi)存方式的通?。?。
3.不要構(gòu)造一個臨時的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，但它有一個很大的缺點(diǎn)，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 <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對象互相引用，它們的引用計(jì)數(shù)都是1，不能自動釋放，并且此時這兩個對象再無法訪問到。這就引起了c++中那臭名昭著的內(nèi)存泄漏。
一般來講，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
一個強(qiáng)引用當(dāng)被引用的對象活著的話，這個引用也存在（就是說，當(dāng)至少有一個強(qiáng)引用，那么這個對象就不能被釋放）。boost::share_ptr就是強(qiáng)引用。
相對而言，弱引用當(dāng)引用的對象活著的時候不一定存在。僅僅是當(dāng)它存在的時候的一個引用。弱引用并不修改該對象的引用計(jì)數(shù)，這意味這弱引用它并不對對象的內(nèi)存進(jìn)行管理，在功能上類似于普通指針，然而一個比較大的區(qū)別是，弱引用能檢測到所管理的對象是否已經(jīng)被釋放，從而避免訪問非法內(nèi)存。
boost::weak_ptr
boost::weak_ptr<T>是boost提供的一個弱引用的智能指針，它的聲明可以簡化如下：
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boost::share_ptr或另一個boost::weak_ptr轉(zhuǎn)換而來，這也說明，進(jìn)行該對象的內(nèi)存管理的是那個強(qiáng)引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了對管理對象的一個訪問手段。
boost::weak_ptr除了對所管理對象的基本訪問功能（通過get()函數(shù)）外，還有兩個常用的功能函數(shù)：expired()用于檢測所管理的對象是否已經(jīng)釋放；lock()用于獲取所管理的對象的強(qiáng)引用指針。
通過boost::weak_ptr來打破循環(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。對于上面的那個例子來說，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)見會出現(xiàn)循環(huán)引用的情況下才能使用，也可以是說這個僅僅是一種編譯期的解決方案，如果程序在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了循環(huán)引用，還是會造成內(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，對于C++來說，由于沒有垃圾回收機(jī)制，內(nèi)存泄漏對每一個程序員來說都是一個非常頭痛的問題。
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