[转]C++智能指针

C++智能指针简单剖析

• 作者：Alexia(minmin)
• https://www.cnblogs.com/lanxuezaipiao/p/4132096.html

智能指针背后的设计思想

我们先来看一个简单的例子：

void remodel(std::string & str)
{
    std::string * ps = new std::string(str);
    ...
    if (weird_thing())
        throw exception();
    str = *ps; 
    delete ps;
    return;
}

当出现异常时（weird_thing()返回true），delete将不被执行，因此将导致内存泄露。

如何避免这种问题？有人会说，这还不简单，直接在throw exception();之前加上delete ps;不就行了。是的，你本应如此，问题是很多人都会忘记在适当的地方加上delete语句（连上述代码中最后的那句delete语句也会有很多人忘记吧），如果你要对一个庞大的工程进行review，看是否有这种潜在的内存泄露问题，那就是一场灾难！
这时我们会想：当remodel这样的函数终止（不管是正常终止，还是由于出现了异常而终止），本地变量都将自动从栈内存中删除—因此指针ps占据的内存将被释放，如果ps指向的内存也被自动释放，那该有多好啊。
我们知道析构函数有这个功能。如果ps有一个析构函数，该析构函数将在ps过期时自动释放它指向的内存。但ps的问题在于，它只是一个常规指针，不是有析构凼数的类对象指针。如果它指向的是对象，则可以在对象过期时，让它的析构函数删除指向的内存。

这正是 auto_ptr、unique_ptr和shared_ptr这几个智能指针背后的设计思想。我简单的总结下就是：将基本类型指针封装为类对象指针（这个类肯定是个模板，以适应不同基本类型的需求），并在析构函数里编写delete语句删除指针指向的内存空间。

因此，要转换remodel()函数，应按下面3个步骤进行：

• 包含头义件memory（智能指针所在的头文件）；
• 将指向string的指针替换为指向string的智能指针对象；
• 删除delete语句。

 # include <memory>
void remodel (std::string & str)
{
    std::auto_ptr<std::string> ps (new std::string(str))；
    ...
    if (weird_thing ())
        throw exception()； 
    str = *ps； 
    // delete ps； NO LONGER NEEDED
    return;
}

C++智能指针简单介绍

STL一共给我们提供了四种智能指针：auto_ptr、unique_ptr、shared_ptr和weak_ptr（本文章暂不讨论）。
模板auto_ptr是C++98提供的解决方案，C+11已将将其摒弃，并提供了另外两种解决方案。然而，虽然auto_ptr被摒弃，但它已使用了好多年：同时，如果您的编译器不支持其他两种解决力案，auto_ptr将是唯一的选择。

使用注意点：

• 所有的智能指针类都有一个explicit构造函数，以指针作为参数。比如auto_ptr的类模板原型为：

  templet<class T>
  class auto_ptr {
    explicit auto_ptr(X* p = 0) ; 
    ...
  };

因此不能自动将指针转换为智能指针对象，必须显式调用：

shared_ptr<double> pd; 
double *p_reg = new double;
pd = p_reg;                               // not allowed (implicit conversion)
pd = shared_ptr<double>(p_reg);           // allowed (explicit conversion)
shared_ptr<double> pshared = p_reg;       // not allowed (implicit conversion)
shared_ptr<double> pshared(p_reg);        // allowed (explicit conversion)

• 对全部三种智能指针都应避免的一点：

  string vacation("I wandered lonely as a cloud.");
  shared_ptr<string> pvac(&vacation);   // No

pvac过期时，程序将把delete运算符用于非堆内存，这是错误的。

使用举例

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

class report
{
private:
    std::string str;
public:
 report(const std::string s) : str(s) {
  std::cout << "Object created.\n";
 }
 ~report() {
  std::cout << "Object deleted.\n";
 }
 void comment() const {
  std::cout << str << "\n";
 }
};

int main() {
{
  std::auto_ptr<report> ps(new report("using auto ptr"));
  ps->comment();
}

{
  std::shared_ptr<report> ps(new report("using shared ptr"));
  ps->comment();
}

{
  std::unique_ptr<report> ps(new report("using unique ptr"));
  ps->comment();
}
 return 0;
}

为什么摈弃auto_ptr

先来看下面的赋值语句:

auto_ptr< string> ps (new string ("I reigned lonely as a cloud.”）;
auto_ptr<string> vocation; 
vocaticn = ps;

在语句#3中，p2接管string对象的所有权后，p1的所有权将被剥夺。前面说过，这是好事，可防止p1和p2的析构函数试图刪同—个对象；

但如果程序随后试图使用p1，这将是件坏事，因为p1不再指向有效的数据。

下面来看使用unique_ptr的情况：

unique_ptr<string> p3 (new string ("auto");   //#4
unique_ptr<string> p4；                       //#5
p4 = p3;                                      //#6

编译器认为语句#6非法，避免了p3不再指向有效数据的问题。因此，unique_ptr比auto_ptr更安全。

但unique_ptr还有更聪明的地方。
有时候，会将一个智能指针赋给另一个并不会留下危险的悬挂指针。假设有如下函数定义：

unique_ptr<string> demo(const char * s)
{
    unique_ptr<string> temp (new string (s))； 
    return temp；
}

并假设编写了如下代码：

unique_ptr<string> ps;
ps = demo('Uniquely special")；

demo()返回一个临时unique_ptr，然后ps接管了原本归返回的unique_ptr所有的对象，而返回时临时的 unique_ptr 被销毁，也就是说没有机会使用 unique_ptr 来访问无效的数据，换句话来说，这种赋值是不会出现任何问题的，即没有理由禁止这种赋值。实际上，编译器确实允许这种赋值，这正是unique_ptr更聪明的地方。

总之，当程序试图将一个 unique_ptr 赋值给另一个时，如果源 unique_ptr 是个临时右值，编译器允许这么做；如果源 unique_ptr 将存在一段时间，编译器将禁止这么做，比如：

unique_ptr<string> pu1(new string ("hello world"));
unique_ptr<string> pu2;
pu2 = pu1;                                      // #1 not allowed
unique_ptr<string> pu3;
pu3 = unique_ptr<string>(new string ("You"));   // #2 allowed

其中#1留下悬挂的unique_ptr(pu1)，这可能导致危害。而#2不会留下悬挂的unique_ptr，因为它调用 unique_ptr 的构造函数，该构造函数创建的临时对象在其所有权让给 pu3 后就会被销毁。这种随情况而已的行为表明，unique_ptr 优于允许两种赋值的auto_ptr。

当然，您可能确实想执行类似于#1的操作，仅当以非智能的方式使用摒弃的智能指针时（如解除引用时），这种赋值才不安全。要安全的重用这种指针，可给它赋新值。C++有一个标准库函数std::move()，让你能够将一个unique_ptr赋给另一个。下面是一个使用前述demo()函数的例子，该函数返回一个unique_ptr对象：
使用move后，原来的指针仍转让所有权变成空指针，可以对其重新赋值。

unique_ptr<string> ps1, ps2;
ps1 = demo("hello");
ps2 = move(ps1);
ps1 = demo("alexia");
cout << *ps2 << *ps1 << endl;

如何选择智能指针

在掌握了这几种智能指针后，大家可能会想另一个问题：在实际应用中，应使用哪种智能指针呢？
下面给出几个使用指南。

（1）如果程序要使用多个指向同一个对象的指针，应选择shared_ptr。这样的情况包括：

• 有一个指针数组，并使用一些辅助指针来标示特定的元素，如最大的元素和最小的元素；
• 两个对象包含都指向第三个对象的指针；
• STL容器包含指针。很多STL算法都支持复制和赋值操作，这些操作可用于shared_ptr，但不能用于unique_ptr（编译器发出warning）和auto_ptr（行为不确定）。如果你的编译器没有提供shared_ptr，可使用Boost库提供的shared_ptr。

（2）如果程序不需要多个指向同一个对象的指针，则可使用unique_ptr。如果函数使用new分配内存，并返还指向该内存的指针，将其返回类型声明为unique_ptr是不错的选择。这样，所有权转让给接受返回值的unique_ptr，而该智能指针将负责调用delete。可将unique_ptr存储到STL容器在那个，只要不调用将一个unique_ptr复制或赋给另一个算法（如sort()）。例如，可在程序中使用类似于下面的代码段。

unique_ptr<int> make_int(int n)
{
    return unique_ptr<int>(new int(n));
}
void show(unique_ptr<int> &p1)
{
    cout << *a << ' ';
}
int main()
{
    ...
    vector<unique_ptr<int> > vp(size);
    for(int i = 0; i < vp.size(); i++)
        vp[i] = make_int(rand() % 1000);              // copy temporary unique_ptr
    vp.push_back(make_int(rand() % 1000));     // ok because arg is temporary
    for_each(vp.begin(), vp.end(), show);           // use for_each()
    ...
}

其中push_back调用没有问题，因为它返回一个临时unique_ptr，该unique_ptr被赋给vp中的一个unique_ptr。另外，如果按值而不是按引用给show()传递对象，for_each()将非法，因为这将导致使用一个来自vp的非临时unique_ptr初始化pi，而这是不允许的。前面说过，编译器将发现错误使用unique_ptr的企图。

在unique_ptr为右值时，可将其赋给shared_ptr，这与将一个unique_ptr赋给一个需要满足的条件相同。与前面一样，在下面的代码中，make_int()的返回类型为unique_ptr：

unique_ptr<int> pup(make_int(rand() % 1000));   // ok
shared_ptr<int> spp(pup);                       // not allowed, pup as lvalue
shared_ptr<int> spr(make_int(rand() % 1000));   // ok

模板shared_ptr包含一个显式构造函数，可用于将右值unique_ptr转换为shared_ptr。shared_ptr将接管原来归unique_ptr所有的对象。

在满足unique_ptr要求的条件时，也可使用auto_ptr，但unique_ptr是更好的选择。如果你的编译器没有unique_ptr，可考虑使用Boost库提供的scoped_ptr，它与unique_ptr类似。

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