C++ 智慧指標詳解

C++ 智慧指標詳解

一、簡介

由於 C++ 語言沒有自動記憶體回收機制，程式設計師每次 new 出來的記憶體都要手動 delete。程式設計師忘記 delete，流程太複雜，最終導致沒有 delete，異常導致程式過早退出，沒有執行 delete 的情況並不罕見。

用智慧指標可以有效緩解這類問題，本文主要講解參見的智慧指標的用法。包括：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost:: intrusive_ptr。你可能會想，這麼多的智慧指標就為了解決new、delete匹配問題，真的有必要嗎？看完這篇文章後，我想你心裡自然會有答案。

下面就依照順序講解如上 7 種智慧指標（smart_ptr）。

二、具體使用

1、總括

對於編譯器來說，智慧指標其實是堆疊對象，並非指標類型，在堆疊物件生命期即將結束時，智慧型指標透過析構函數釋放有它管理的堆記憶體。所有智慧指標都重載了「operator->」操作符，直接傳回物件的引用，用以操作物件。存取智慧型指標原來的方法則使用“.”操作符。

存取智慧指標所包含的裸指標則可以用 get() 函數。由於智慧指針是一個對象，所以if (my_smart_object)永遠為真，要判斷智慧指針的裸指針是否為空，需要這樣判斷：if (my_smart_object.get())。

智慧指標包含了 reset() 方法，如果不傳遞參數（或傳遞 NULL），則智慧指標會釋放目前管理的記憶體。如果傳遞一個對象，則智慧型指針會釋放目前對象，來管理新傳入的對象。

我們寫一個測試類別來輔助分析：

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可以使用。 std::auto_ptr 能夠方便的管理單一堆記憶體物件。

我們從程式碼開始分析：

void TestAutoPtr() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 创建对象，输出：Simple：1
if (my_memory.get()) {                            // 判断智能指针是否为空
my_memory->PrintSomething();                    // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指针，然后给内部对象赋值
my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述赋值成功
(*my_memory).info_extend += " other";           // 使用 operator* 返回智能指针内部对象，然后用“.”调用智能指针对象中的函数
my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述赋值成功
  }
}                                               // my_memory 栈对象即将结束生命期，析构堆对象 Simple(1)

執行結果為：

Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
~Simple: 1

上述為正常使用std::au的delete 了。

其實好景不長，我們看看如下的另一個例子：

void TestAutoPtr2() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;   // 创建一个新的 my_memory2 对象
    my_memory2 = my_memory;             // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2
    my_memory2->PrintSomething();       // 输出信息，复制成功
    my_memory->PrintSomething();        // 崩溃
}
}

最終如上代碼導致崩潰，如上代碼時絕對符合C++ 編程思想的，居然崩潰了，跟進std:: auto_ptr 的源碼後，我們看到，罪魁禍首是“my_memory2 = my_memory”，這行程式碼，my_memory2 完全奪取了my_memory 的記憶體管理所有權，導致my_memory 懸空，最後使用時導致崩潰。

所以，使用 std::auto_ptr 時，絕對不能使用「operator=」運算元。作為一個函式庫，不允許使用者使用，確沒有明確拒絕[1]，多少會覺得有點出乎預料。

看完 std::auto_ptr 好景不長的第一個例子後，讓我們再來看一個：

void TestAutoPtr3() {
  std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
  if (my_memory.get()) {
    my_memory.release();
  }
}

執行結果是：

Simple: 1

執行結果是：
reee

看到什麼異常了嗎？我們創建出來的物件沒有被析構，沒有輸出“~Simple: 1”，導致記憶體洩漏。當我們不想讓my_memory 繼續生存下去，我們調用release() 函數釋放內存，結果卻導致內存洩露（在內存受限系統中，如果my_memory佔用太多內存，我們會考慮在使用完成後，立刻歸還，而不是等到my_memory 結束生命期後才歸還）。

正確的程式碼應該是：

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();  // 释放 my_memory 内部管理的内存
  }
}

這只是程式設計 std::au8ptrd 的想法。

總結：std::auto_ptr 可用來管理單一物件的對內存，但是，請注意以下幾點：

（1）    盡量不要使用「operator=」。如果使用了，請不要再使用先前物件。

（2）    記住 release() 函數不會釋放對象，只歸還所有權。

（3）    std::auto_ptr 最好不要當成參數傳遞（讀者可以自行寫程式碼確定為什麼不能）。

（4）    由於 std::auto_ptr 的「operator=」問題，有其管理的物件不能放入 std::vector 等容器中。

（5）    ……

使用一個std::auto_ptr 的限制還真多，還不能用來管理堆內存數組，這應該是你目前在想限制的事情吧，我也覺得挺多的，哪天一個不小心，就導致問題了。

由於 std::auto_ptr 引發了諸多問題，一些設計並不是非常符合 C++ 程式設計思想，所以引發了下面 boost 的智慧指針，boost 智慧指針可以解決如上問題。

讓我們繼續往下看。

🎜3、boost::scoped_ptr🎜🎜🎜🎜

boost::scoped_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #includee23b372897c2668fffd6001e3ccdaabb 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样，可以方便的管理单个堆内存对象，特别的是，boost::scoped_ptr 独享所有权，避免了 std::auto_ptr 恼人的几个问题。

我们还是从代码开始分析：

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();           // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
    my_memory2 = my_memory;        // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=，不会导致所有权转移
  }
}

首先，我们可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有 release() 函数，不会导致先前的内存泄露问题。其次，由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的，所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句，可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。

由于 boost::scoped_ptr 独享所有权，当我们真真需要复制智能指针时，需求便满足不了了，如此我们再引入一个智能指针，专门用于处理复制，参数传递的情况，这便是如下的 boost::shared_ptr。

4、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #includee23b372897c2668fffd6001e3ccdaabb 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权，不允许赋值、拷贝，boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的，由于要共享所有权，其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。

我们还是从代码开始分析：

void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 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();// 编译 error: 同样，shared_ptr 也没有 release 函数
}

执行结果为：

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。并且没有 release() 函数。关键的一点，boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数，由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ，此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果，我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中，引用计数为 1，传递参数后（此处进行了一次复制），在函数TestSharedPtr 内部，引用计数为2，在 TestSharedPtr 返回后，引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候，boost::shared_ptr 是再好不过的了。

在此，我们已经看完单个对象的智能指针管理，关于智能指针管理数组，我们接下来讲到。

5、boost::scoped_array

boost::scoped_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #includee23b372897c2668fffd6001e3ccdaabb 便可以使用。

boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样，也是独享所有权的。

我们还是从代码开始分析：

void TestScopedArray() {
      boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化
      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";            // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
        my_memory[0].release();                             // 同上，没有 release 函数
        boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
        my_memory2 = my_memory;                             // 编译 error，同上，没有重载 operator=
      }
}

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持复制，并且初始化的时候需要使用动态数组。另外，boost::scoped_array 没有重载“operator*”，其实这并无大碍，一般情况下，我们使用 get() 函数更明确些。

下面肯定应该讲 boost::shared_array 了，一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。

6、boost::shared_array

boost::shared_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #includee23b372897c2668fffd6001e3ccdaabb 便可以使用。

由于 boost::scoped_array 独享所有权，显然在很多情况下（参数传递、对象赋值等）不满足需求，由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样，内部使用了引用计数。

我们还是从代码开始分析：

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 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";  // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*
  }
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedArray(my_memory);
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}

执行结果为：

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 一样，使用了引用计数，可以复制，通过参数来传递。

至此，我们讲过的智能指针有 std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了，90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针，它们肯定有用，但有什么用处呢，一起看看吧。

7、boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #includee23b372897c2668fffd6001e3ccdaabb 便可以使用。

在讲 boost::weak_ptr 之前，让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎 boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了，这儿还多出一个 boost::weak_ptr，是否还有某些情况我们没纳入考虑呢？

回答：有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候，我们只关心能否使用对象，并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的观察者（Observer）对象，观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用，而不改变其引用计数，当被观察的 boost::shared_ptr 失效后，相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。

我们还是从代码开始分析：

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;
}

执行结果为：

Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1

我们看到，尽管被赋值了，内部的引用计数并没有什么变化，当然，读者也可以试试传递参数等其他情况。

现在要说的问题是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？从上面那个例子看来，似乎没有任何作用，其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中，可以在基类（此处的基类并非抽象基类，而是指继承于抽象基类的虚基类）中定义一个 boost::weak_ptr，用于指向子类的 boost::shared_ptr，这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了，而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数，用以降低复杂度，更好的管理对象。

8、boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #includee23b372897c2668fffd6001e3ccdaabb 便可以使用。

讲完如上 6 种智能指针后，对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了，现在有多了一种 boost::intrusive_ptr，这是一种插入式的智能指针，内部不含有引用计数，需要程序员自己加入引用计数，不然编译不过（⊙﹏⊙b汗）。个人感觉这个智能指针没太大用处，至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码哦J。

三、总结

如上讲了这么多智能指针，有必要对这些智能指针做个总结：

1、在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想，而且极容易出错[2]。

2、在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr（当然动态数组使用 boost::scoped_array）。

3、在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr（当然动态数组使用 boost::shared_array）。

4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下，使用 boost::weak_ptr，一般常用于软件框架设计中。

5、最后一点，也是要求最苛刻一点：在你的代码中，不要出现 delete 关键字（或 C 语言的 free 函数），因为可以用智能指针去管理。

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