C++智能指針實(shí)例詳解
本文通過(guò)實(shí)例詳細(xì)闡述了C++關(guān)于智能指針的概念及用法，有助于讀者加深對(duì)智能指針的理解。詳情如下：
一、簡(jiǎn)介
由于 C++ 語(yǔ)言沒(méi)有自動(dòng)內(nèi)存回收機(jī)制，程序員每次 new 出來(lái)的內(nèi)存都要手動(dòng) delete。程序員忘記 delete，流程太復(fù)雜，最終導(dǎo)致沒(méi)有 delete，異常導(dǎo)致程序過(guò)早退出，沒(méi)有執(zhí)行 delete 的情況并不罕見(jiàn)。
用智能指針便可以有效緩解這類問(wèn)題，本文主要講解參見(jiàn)的智能指針的用法。包括：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost:: intrusive_ptr。你可能會(huì)想，如此多的智能指針就為了解決new、delete匹配問(wèn)題，真的有必要嗎？看完這篇文章后，我想你心里自然會(huì)有答案。
下面就按照順序講解如上 7 種智能指針（smart_ptr）。
二、具體使用
1、總括
對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō)，智能指針實(shí)際上是一個(gè)棧對(duì)象，并非指針類型，在棧對(duì)象生命期即將結(jié)束時(shí)，智能指針通過(guò)析構(gòu)函數(shù)釋放有它管理的堆內(nèi)存。所有智能指針都重載了“operator->”操作符，直接返回對(duì)象的引用，用以操作對(duì)象。訪問(wèn)智能指針原來(lái)的方法則使用“.”操作符。
訪問(wèn)智能指針包含的裸指針則可以用 get() 函數(shù)。由于智能指針是一個(gè)對(duì)象，所以if (my_smart_object)永遠(yuǎn)為真，要判斷智能指針的裸指針是否為空，需要這樣判斷：if (my_smart_object.get())。
智能指針包含了 reset() 方法，如果不傳遞參數(shù)（或者傳遞 NULL），則智能指針會(huì)釋放當(dāng)前管理的內(nèi)存。如果傳遞一個(gè)對(duì)象，則智能指針會(huì)釋放當(dāng)前對(duì)象，來(lái)管理新傳入的對(duì)象。
我們編寫一個(gè)測(cè)試類來(lái)輔助分析：
class Simple {
public:
Simple(int param = 0) {
number = param;
std::cout << "Simple: " << number << std::endl;
}
~Simple() {
std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
}
void PrintSomething() {
std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
}
std::string info_extend;
int number;
};
2、std::auto_ptr
std::auto_ptr 屬于 STL，當(dāng)然在 namespace std 中，包含頭文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能夠方便的管理單個(gè)堆內(nèi)存對(duì)象。
我們從代碼開(kāi)始分析：
void TestAutoPtr() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); // 創(chuàng)建對(duì)象，輸出：Simple：1
if (my_memory.get()) { // 判斷智能指針是否為空
my_memory->PrintSomething(); // 使用 operator-> 調(diào)用智能指針對(duì)象中的函數(shù)
my_memory.get()->info_extend = "Addition"; // 使用 get() 返回裸指針，然后給內(nèi)部對(duì)象賦值
my_memory->PrintSomething(); // 再次打印，表明上述賦值成功
(*my_memory).info_extend += " other"; // 使用 operator* 返回智能指針內(nèi)部對(duì)象，然后用“.”調(diào)用智能指針對(duì)象中的函數(shù)
my_memory->PrintSomething(); // 再次打印，表明上述賦值成功
}
} //my_memory棧對(duì)象即將結(jié)束生命期，析構(gòu)堆對(duì)象Simple(1)
執(zhí)行結(jié)果為：
Simple: 1 PrintSomething: PrintSomething: Addition PrintSomething: Addition other ~Simple: 1
上述為正常使用 std::auto_ptr 的代碼，一切似乎都良好，無(wú)論如何不用我們顯示使用該死的 delete 了。
其實(shí)好景不長(zhǎng)，我們看看如下的另一個(gè)例子：
void TestAutoPtr2() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
std::auto_ptr<Simple> my_memory2; // 創(chuàng)建一個(gè)新的 my_memory2 對(duì)象
my_memory2 = my_memory; // 復(fù)制舊的 my_memory 給 my_memory2
my_memory2->PrintSomething(); // 輸出信息，復(fù)制成功
my_memory->PrintSomething(); // 崩潰
}
}
最終如上代碼導(dǎo)致崩潰，如上代碼時(shí)絕對(duì)符合 C++ 編程思想的，居然崩潰了，跟進(jìn) std::auto_ptr 的源碼后，我們看到，罪魁禍?zhǔn)资恰癿y_memory2 = my_memory”，這行代碼，my_memory2 完全奪取了 my_memory 的內(nèi)存管理所有權(quán)，導(dǎo)致 my_memory 懸空，最后使用時(shí)導(dǎo)致崩潰。
所以，使用 std::auto_ptr 時(shí)，絕對(duì)不能使用“operator=”操作符。作為一個(gè)庫(kù)，不允許用戶使用，確沒(méi)有明確拒絕，多少會(huì)覺(jué)得有點(diǎn)出乎預(yù)料。
看完 std::auto_ptr 好景不長(zhǎng)的第一個(gè)例子后，讓我們?cè)賮?lái)看一個(gè)：
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory.release();
}
}
執(zhí)行結(jié)果為：
Simple: 1
看到什么異常了嗎？我們創(chuàng)建出來(lái)的對(duì)象沒(méi)有被析構(gòu)，沒(méi)有輸出“~Simple: 1”，導(dǎo)致內(nèi)存泄露。當(dāng)我們不想讓 my_memory 繼續(xù)生存下去，我們調(diào)用 release() 函數(shù)釋放內(nèi)存，結(jié)果卻導(dǎo)致內(nèi)存泄露（在內(nèi)存受限系統(tǒng)中，如果my_memory占用太多內(nèi)存，我們會(huì)考慮在使用完成后，立刻歸還，而不是等到 my_memory 結(jié)束生命期后才歸還）。
正確的代碼應(yīng)該為：
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
Simple* temp_memory = my_memory.release();
delete temp_memory;
}
}
或
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory.reset(); // 釋放 my_memory 內(nèi)部管理的內(nèi)存
}
}
原來(lái) std::auto_ptr 的 release() 函數(shù)只是讓出內(nèi)存所有權(quán)，這顯然也不符合 C++ 編程思想。
總結(jié)：std::auto_ptr 可用來(lái)管理單個(gè)對(duì)象的對(duì)內(nèi)存，但是，請(qǐng)注意如下幾點(diǎn)：
（1） 盡量不要使用“operator=”。如果使用了，請(qǐng)不要再使用先前對(duì)象。
（2） 記住 release() 函數(shù)不會(huì)釋放對(duì)象，僅僅歸還所有權(quán)。
（3） std::auto_ptr 最好不要當(dāng)成參數(shù)傳遞（讀者可以自行寫代碼確定為什么不能）。
（4） 由于 std::auto_ptr 的“operator=”問(wèn)題，有其管理的對(duì)象不能放入 std::vector 等容器中。
使用一個(gè) std::auto_ptr 的限制還真多，還不能用來(lái)管理堆內(nèi)存數(shù)組，這應(yīng)該是你目前在想的事情吧，我也覺(jué)得限制挺多的，哪天一個(gè)不小心，就導(dǎo)致問(wèn)題了。
由于 std::auto_ptr 引發(fā)了諸多問(wèn)題，一些設(shè)計(jì)并不是非常符合 C++ 編程思想，所以引發(fā)了下面 boost 的智能指針，boost 智能指針可以解決如上問(wèn)題。
讓我們繼續(xù)向下看。
3、boost::scoped_ptr
boost::scoped_ptr 屬于 boost 庫(kù)，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一樣，可以方便的管理單個(gè)堆內(nèi)存對(duì)象，特別的是，boost::scoped_ptr 獨(dú)享所有權(quán)，避免了 std::auto_ptr 惱人的幾個(gè)問(wèn)題。
我們還是從代碼開(kāi)始分析：
void TestScopedPtr() {
boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory->PrintSomething();
my_memory.get()->info_extend = "Addition";
my_memory->PrintSomething();
(*my_memory).info_extend += " other";
my_memory->PrintSomething();
my_memory.release(); // 編譯 error: scoped_ptr 沒(méi)有 release 函數(shù)
std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
my_memory2 = my_memory; // 編譯 error: scoped_ptr 沒(méi)有重載 operator=，不會(huì)導(dǎo)致所有權(quán)轉(zhuǎn)移
}
}
首先，我們可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一樣正常使用。但其沒(méi)有 release() 函數(shù)，不會(huì)導(dǎo)致先前的內(nèi)存泄露問(wèn)題。其次，由于 boost::scoped_ptr 是獨(dú)享所有權(quán)的，所以明確拒絕用戶寫“my_memory2 = my_memory”之類的語(yǔ)句，可以緩解 std::auto_ptr 幾個(gè)惱人的問(wèn)題。
由于 boost::scoped_ptr 獨(dú)享所有權(quán)，當(dāng)我們真真需要復(fù)制智能指針時(shí)，需求便滿足不了了，如此我們?cè)僖胍粋€(gè)智能指針，專門用于處理復(fù)制，參數(shù)傳遞的情況，這便是如下的 boost::shared_ptr。
4、boost::shared_ptr
boost::shared_ptr 屬于 boost 庫(kù)，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我們看到 boost::scoped_ptr 獨(dú)享所有權(quán)，不允許賦值、拷貝，boost::shared_ptr 是專門用于共享所有權(quán)的，由于要共享所有權(quán)，其在內(nèi)部使用了引用計(jì)數(shù)。boost::shared_ptr 也是用于管理單個(gè)堆內(nèi)存對(duì)象的。
我們還是從代碼開(kāi)始分析：
void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) { // 注意：無(wú)需使用 reference (或 const reference)
memory->PrintSomething();
std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}
void TestSharedPtr2() {
boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory->PrintSomething();
my_memory.get()->info_extend = "Addition";
my_memory->PrintSomething();
(*my_memory).info_extend += " other";
my_memory->PrintSomething();
}
std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
TestSharedPtr(my_memory);
std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
//my_memory.release();// 編譯 error: 同樣，shared_ptr 也沒(méi)有 release 函數(shù)
}
執(zhí)行結(jié)果為：
Simple: 1 PrintSomething: PrintSomething: Addition PrintSomething: Addition other TestSharedPtr2 UseCount: 1 PrintSomething: Addition other TestSharedPtr UseCount: 2 TestSharedPtr2 UseCount: 1 ~Simple: 1
boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且沒(méi)有 release() 函數(shù)。關(guān)鍵的一點(diǎn)，boost::shared_ptr 內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)引用計(jì)數(shù)，由此可以支持復(fù)制、參數(shù)傳遞等。boost::shared_ptr 提供了一個(gè)函數(shù) use_count() ，此函數(shù)返回 boost::shared_ptr 內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)。查看執(zhí)行結(jié)果，我們可以看到在 TestSharedPtr2 函數(shù)中，引用計(jì)數(shù)為 1，傳遞參數(shù)后（此處進(jìn)行了一次復(fù)制），在函數(shù)TestSharedPtr 內(nèi)部，引用計(jì)數(shù)為2，在 TestSharedPtr 返回后，引用計(jì)數(shù)又降低為 1。當(dāng)我們需要使用一個(gè)共享對(duì)象的時(shí)候，boost::shared_ptr 是再好不過(guò)的了。
在此，我們已經(jīng)看完單個(gè)對(duì)象的智能指針管理，關(guān)于智能指針管理數(shù)組，我們接下來(lái)講到。
5、boost::scoped_array
boost::scoped_array 屬于 boost 庫(kù)，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
boost::scoped_array 便是用于管理動(dòng)態(tài)數(shù)組的。跟 boost::scoped_ptr 一樣，也是獨(dú)享所有權(quán)的。
我們還是從代碼開(kāi)始分析：
void TestScopedArray() {
boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用內(nèi)存數(shù)組來(lái)初始化
if (my_memory.get()) {
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
my_memory[0].PrintSomething();
(*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 編譯 error，scoped_ptr 沒(méi)有重載 operator*
my_memory[0].release(); // 同上，沒(méi)有 release 函數(shù)
boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
my_memory2 = my_memory; // 編譯 error，同上，沒(méi)有重載 operator=
}
}
boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持復(fù)制，并且初始化的時(shí)候需要使用動(dòng)態(tài)數(shù)組。另外，boost::scoped_array 沒(méi)有重載“operator*”，其實(shí)這并無(wú)大礙，一般情況下，我們使用 get() 函數(shù)更明確些。
下面肯定應(yīng)該講 boost::shared_array 了，一個(gè)用引用計(jì)數(shù)解決復(fù)制、參數(shù)傳遞的智能指針類。
6、boost::shared_array
boost::shared_array 屬于 boost 庫(kù)，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
由于 boost::scoped_array 獨(dú)享所有權(quán)，顯然在很多情況下（參數(shù)傳遞、對(duì)象賦值等）不滿足需求，由此我們引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一樣，內(nèi)部使用了引用計(jì)數(shù)。
我們還是從代碼開(kāi)始分析：
void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) { // 注意：無(wú)需使用 reference (或 const reference)
std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}
void TestSharedArray2() {
boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
if (my_memory.get()) {
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory[1].PrintSomething();
my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
my_memory[1].PrintSomething();
//(*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 編譯 error，scoped_ptr 沒(méi)有重載 operator*
}
std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
TestSharedArray(my_memory);
std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}
執(zhí)行結(jié)果為：
Simple: 0 Simple: 0 PrintSomething: PrintSomething: Addition 00 PrintSomething: PrintSomething: Addition 11 TestSharedArray2 UseCount: 1 TestSharedArray UseCount: 2 TestSharedArray2 UseCount: 1 ~Simple: 0 ~Simple: 0
跟 boost::shared_ptr 一樣，使用了引用計(jì)數(shù)，可以復(fù)制，通過(guò)參數(shù)來(lái)傳遞。
至此，我們講過(guò)的智能指針有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。這幾個(gè)智能指針已經(jīng)基本夠我們使用了，90% 的使用過(guò)標(biāo)準(zhǔn)智能指針的代碼就這 5 種?？扇缦逻€有兩種智能指針，它們肯定有用，但有什么用處呢，一起看看吧。
7、boost::weak_ptr
boost::weak_ptr 屬于 boost 庫(kù)，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
在講 boost::weak_ptr 之前，讓我們先回顧一下前面講解的內(nèi)容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 這兩個(gè)智能指針就可以解決所有單個(gè)對(duì)象內(nèi)存的管理了，這兒還多出一個(gè) boost::weak_ptr，是否還有某些情況我們沒(méi)納入考慮呢？
回答：有。首先 boost::weak_ptr 是專門為 boost::shared_ptr 而準(zhǔn)備的。有時(shí)候，我們只關(guān)心能否使用對(duì)象，并不關(guān)心內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的觀察者（Observer）對(duì)象，觀察者意味著 boost::weak_ptr 只對(duì) boost::shared_ptr 進(jìn)行引用，而不改變其引用計(jì)數(shù)，當(dāng)被觀察的 boost::shared_ptr 失效后，相應(yīng)的 boost::weak_ptr 也相應(yīng)失效。
我們還是從代碼開(kāi)始分析：
void TestWeakPtr() {
boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
my_memory_weak = my_memory;
std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}
執(zhí)行結(jié)果為：
Simple: 1 TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1 TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1 ~Simple: 1
我們看到，盡管被賦值了，內(nèi)部的引用計(jì)數(shù)并沒(méi)有什么變化，當(dāng)然，讀者也可以試試傳遞參數(shù)等其他情況。
現(xiàn)在要說(shuō)的問(wèn)題是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？從上面那個(gè)例子看來(lái)，似乎沒(méi)有任何作用，其實(shí) boost::weak_ptr 主要用在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以在基類（此處的基類并非抽象基類，而是指繼承于抽象基類的虛基類）中定義一個(gè) boost::weak_ptr，用于指向子類的 boost::shared_ptr，這樣基類僅僅觀察自己的 boost::weak_ptr 是否為空就知道子類有沒(méi)對(duì)自己賦值了，而不用影響子類 boost::shared_ptr 的引用計(jì)數(shù)，用以降低復(fù)雜度，更好的管理對(duì)象。
8、boost::intrusive_ptr
boost::intrusive_ptr屬于 boost 庫(kù)，定義在 namespace boost 中，包含頭文件 #include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
講完如上 6 種智能指針后，對(duì)于一般程序來(lái)說(shuō) C++ 堆內(nèi)存管理就夠用了，現(xiàn)在有多了一種 boost::intrusive_ptr，這是一種插入式的智能指針，內(nèi)部不含有引用計(jì)數(shù)，需要程序員自己加入引用計(jì)數(shù)，不然編譯不過(guò)（⊙﹏⊙b汗）。個(gè)人感覺(jué)這個(gè)智能指針沒(méi)太大用處，至少我沒(méi)用過(guò)。有興趣的朋友自己研究一下源代碼哦。
三、總結(jié)
如上講了這么多智能指針，有必要對(duì)這些智能指針做個(gè)總結(jié)：
1、在可以使用 boost 庫(kù)的場(chǎng)合下，拒絕使用 std::auto_ptr，因?yàn)槠洳粌H不符合 C++ 編程思想，而且極容易出錯(cuò)。
2、在確定對(duì)象無(wú)需共享的情況下，使用 boost::scoped_ptr（當(dāng)然動(dòng)態(tài)數(shù)組使用 boost::scoped_array）。
3、在對(duì)象需要共享的情況下，使用 boost::shared_ptr（當(dāng)然動(dòng)態(tài)數(shù)組使用 boost::shared_array）。
4、在需要訪問(wèn) boost::shared_ptr 對(duì)象，而又不想改變其引用計(jì)數(shù)的情況下，使用 boost::weak_ptr，一般常用于軟件框架設(shè)計(jì)中。
5、最后一點(diǎn)，也是要求最苛刻一點(diǎn)：在你的代碼中，不要出現(xiàn) delete 關(guān)鍵字（或 C 語(yǔ)言的 free 函數(shù)），因?yàn)榭梢杂弥悄苤羔樔ス芾怼?/p>
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