@coolwyj 2014-12-05T06:07:25.000000Z 字数 8272 阅读 2665

智能指针（2）

C++

简介

由于 C++ 语言没有自动内存回收机制，程序员每次new出来的内存都要手动delete。程序员忘记delete，流程太复杂，最终导致没有delete，异常导致程序过早退出，没有执行delete的情况并不罕见。

用智能指针便可以有效缓解这类问题，本文主要讲解参见的智能指针的用法。包括：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost::intrusive_ptr。

总括

对于编译器来说，智能指针实际上是一个栈对象，并非指针类型，在栈对象生命期即将结束时，智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了operator->操作符，直接返回对象的引用，用以操作对象。访问智能指针原来的方法则使用.操作符。

访问智能指针包含的裸指针则可以用get()函数。
由于智能指针是一个对象，所以if(my_smart_object)永远为真，要判断智能指针的裸指针是否为空，需要这样判断：if(my_smart_object.get())。

智能指针包含了reset()方法，如果不传递参数（或者传递NULL），则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象，则智能指针会释放当前对象，来管理新传入的对象。

如下是一个辅助测试类：

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;
};

1、std::auto_ptr
std::auto_ptr属于STL，当然在namespace std中，包含头文件#include<memory>便可以使用。
std::auto_ptr能够方便的管理单个堆内存对象。

从代码开始分析：

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)

执行结果为：
Simple: 1 PrintSomething: PrintSomething: Addition PrintSomething: Addition other ~Simple: 1
上述为正常使用std::auto_ptr的代码，一切似乎都良好.

再看如下一个例子：

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
    }
}

最终如上代码导致崩溃，如上代码时绝对符合 C++编程思想的，居然崩溃了，跟进 std::auto_ptr的源码后，我们看到，罪魁祸首是my_memory2 = my_memory，这行代码，my_memory2完全夺取了my_memory的内存管理所有权，导致my_memory悬空，最后使用时导致崩溃。
所以，使用std::auto_ptr时，绝对不能使用operator=操作符。作为一个库，不允许用户使用，确没有明确拒绝，多少会觉得有点出乎预料。

再来一个例子：

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

执行结果为：
Simple: 1
我们创建出来的对象没有被析构，没有输出~Simple:1，导致内存泄露。当我们不想让my_memory继续生存下去，我们调用release()函数释放内存，结果却导致内存泄露（在内存受限系统中，如果my_memory占用太多内存，我们会考虑在使用完成后，立刻归还，而不是等到my_memory结束生命期后才归还）。

正确的代码应该为：

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
    }
}

原来std::auto_ptr的release()函数只是让出内存所有权，这显然也不符合 C++ 编程思想。

总结：std::auto_ptr
可用来管理单个对象的对内存，但是，请注意如下几点：

（1）尽量不要使用operator=。如果使用了，请不要再使用先前对象。
（2）记住release()函数不会释放对象，仅仅归还所有权。
（3）std::auto_ptr最好不要当成参数传递
（4）由于std::auto_ptr的operator=问题，有其管理的对象不能放入std::vector等容器中。

由于std::auto_ptr引发了诸多问题，一些设计并不是非常符合C++编程思想，所以引发了下面 boost的智能指针，boost智能指针可以解决如上问题。

2、boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr属于 boost 库，定义在namespace boost中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 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。

示例代码：

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。

3、boost::shared_ptr

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。

实例代码：

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。

4、boost::scoped_array

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

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。

5、boost::shared_array
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。

示例代码：

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;
}

执行输出：
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

这几个智能指针（std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array）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。

6、boost::weak_ptr
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。

示例代码：

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

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。

7、boost::intrusive_ptr
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。
可以参考：此篇博客

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、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。

智能指针（2）

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