相關(guān)博文《C++ STL 四種智能指針》

參考資料：《C++ Primer中文版 第五版》
我們知道除了靜態(tài)內(nèi)存和棧內(nèi)存外，每個(gè)程序還有一個(gè)內(nèi)存池，這部分內(nèi)存被稱為自由空間或者堆。程序用堆來存儲動態(tài)分配的對象即那些在程序運(yùn)行時(shí)分配的對象，當(dāng)動態(tài)對象不再使用時(shí)，我們的代碼必須顯式的銷毀它們。

在C++中，動態(tài)內(nèi)存的管理是用一對運(yùn)算符完成的：new和delete，new:在動態(tài)內(nèi)存中為對象分配一塊空間并返回一個(gè)指向該對象的指針，delete：指向一個(gè)動態(tài)獨(dú)享的指針，銷毀對象，并釋放與之關(guān)聯(lián)的內(nèi)存。

動態(tài)內(nèi)存管理經(jīng)常會出現(xiàn)兩種問題：一種是忘記釋放內(nèi)存，會造成內(nèi)存泄漏；一種是尚有指針引用內(nèi)存的情況下就釋放了它，就會產(chǎn)生引用非法內(nèi)存的指針。

為了更加容易（更加安全）的使用動態(tài)內(nèi)存，引入了智能指針的概念。智能指針的行為類似常規(guī)指針，重要的區(qū)別是它負(fù)責(zé)自動釋放所指向的對象。標(biāo)準(zhǔn)庫提供的兩種智能指針的區(qū)別在于管理底層指針的方法不同，shared_ptr允許多個(gè)指針指向同一個(gè)對象，unique_ptr則“獨(dú)占”所指向的對象。標(biāo)準(zhǔn)庫還定義了一種名為weak_ptr的伴隨類，它是一種弱引用，指向shared_ptr所管理的對象，這三種智能指針都定義在memory頭文件中。

#shared_ptr類
創(chuàng)建智能指針時(shí)必須提供額外的信息，指針可以指向的類型：
?

shared_ptr<string> p1; shared_ptr<list<int>> p2;

默認(rèn)初始化的智能指針中保存著一個(gè)空指針。
智能指針的使用方式和普通指針類似，解引用一個(gè)智能指針返回它指向的對象，在一個(gè)條件判斷中使用智能指針就是檢測它是不是空。

if(p1 && p1->empty())*p1 = "hi";

如下表所示是shared_ptr和unique_ptr都支持的操作：

?如下表所示是shared_ptr特有的操作：

?make_shared函數(shù)：
最安全的分配和使用動態(tài)內(nèi)存的方法就是調(diào)用一個(gè)名為make_shared的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，此函數(shù)在動態(tài)內(nèi)存中分配一個(gè)對象并初始化它，返回指向此對象的shared_ptr。頭文件和share_ptr相同，在memory中
必須指定想要創(chuàng)建對象的類型，定義格式見下面例子：
?

shared_ptr<int> p3 = make_shared<int>(42); shared_ptr<string> p4 = make_shared<string>(10,'9'); shared_ptr<int> p5 = make_shared<int>();

make_shared用其參數(shù)來構(gòu)造給定類型的對象，如果我們不傳遞任何參數(shù)，對象就會進(jìn)行值初始化

shared_ptr的拷貝和賦值
當(dāng)進(jìn)行拷貝和賦值時(shí)，每個(gè)shared_ptr都會記錄有多少個(gè)其他shared_ptr指向相同的對象。

auto p = make_shared<int>(42); auto q(p);

我們可以認(rèn)為每個(gè)shared_ptr都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)器，通常稱其為引用計(jì)數(shù)，無論何時(shí)我們拷貝一個(gè)shared_ptr，計(jì)數(shù)器都會遞增。當(dāng)我們給shared_ptr賦予一個(gè)新值或是shared_ptr被銷毀（例如一個(gè)局部的shared_ptr離開其作用域）時(shí)，計(jì)數(shù)器就會遞減，一旦一個(gè)shared_ptr的計(jì)數(shù)器變?yōu)?,它就會自動釋放自己所管理的對象。
?

auto r = make_shared<int>(42);//r指向的int只有一個(gè)引用者 r=q;//給r賦值，令它指向另一個(gè)地址//遞增q指向的對象的引用計(jì)數(shù)//遞減r原來指向的對象的引用計(jì)數(shù)//r原來指向的對象已沒有引用者，會自動釋放

當(dāng)指向一個(gè)對象的最后一個(gè)shared_ptr被銷毀時(shí)，shared_ptr類會自動銷毀此對象，它是通過另一個(gè)特殊的成員函數(shù)-析構(gòu)函數(shù)完成銷毀工作的，類似于構(gòu)造函數(shù)，每個(gè)類都有一個(gè)析構(gòu)函數(shù)。析構(gòu)函數(shù)控制對象銷毀時(shí)做什么操作。析構(gòu)函數(shù)一般用來釋放對象所分配的資源。shared_ptr的析構(gòu)函數(shù)會遞減它所指向的對象的引用計(jì)數(shù)。如果引用計(jì)數(shù)變?yōu)?，shared_ptr的析構(gòu)函數(shù)就會銷毀對象，并釋放它所占用的內(nèi)存。

shared_ptr還會自動釋放相關(guān)聯(lián)的內(nèi)存
當(dāng)動態(tài)對象不再被使用時(shí)，shared_ptr類還會自動釋放動態(tài)對象，這一特性使得動態(tài)內(nèi)存的使用變得非常容易。如果你將shared_ptr存放于一個(gè)容器中，而后不再需要全部元素，而只使用其中一部分，要記得用erase刪除不再需要的那些元素。

使用了動態(tài)生存期的資源的類：
程序使用動態(tài)內(nèi)存的原因：
（1）程序不知道自己需要使用多少對象
（2）程序不知道所需對象的準(zhǔn)確類型
（3）程序需要在多個(gè)對象間共享數(shù)據(jù)

直接管理內(nèi)存
C++定義了兩個(gè)運(yùn)算符來分配和釋放動態(tài)內(nèi)存，new和delete，使用這兩個(gè)運(yùn)算符非常容易出錯。

使用new動態(tài)分配和初始化對象
在自由空間分配的內(nèi)存是無名的，因此new無法為其分配的對象命名，而是返回一個(gè)指向該對象的指針
?

int *pi = new int;//pi指向一個(gè)動態(tài)分配的、未初始化的無名對象

此new表達(dá)式在自由空間構(gòu)造一個(gè)int型對象，并返回指向該對象的指針

默認(rèn)情況下，動態(tài)分配的對象是默認(rèn)初始化的，這意味著內(nèi)置類型或組合類型的對象的值將是未定義的，而類類型對象將用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化。

string *ps = new string;//初始化為空string int *pi = new int;//pi指向一個(gè)未初始化的int

我們可以直接使用直接初始化方式來初始化一個(gè)動態(tài)分配一個(gè)動態(tài)分配的對象。我們可以使用傳統(tǒng)的構(gòu)造方式，在新標(biāo)準(zhǔn)下，也可以使用列表初始化

int *pi = new int(1024); string *ps = new string(10,'9'); vector<int> *pv = new vector<int>{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

也可以對動態(tài)分配的對象進(jìn)行初始化，只需在類型名之后跟一對空括號即可；

動態(tài)分配的const對象

const int *pci = new const int(1024); //分配并初始化一個(gè)const int const string *pcs = new const string; //分配并默認(rèn)初始化一個(gè)const的空string

類似其他任何const對象，一個(gè)動態(tài)分配的const對象必須進(jìn)行初始化。對于一個(gè)定義了默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)的類類型，其const動態(tài)對象可以隱式初始化，而其他類型的對象就必須顯式初始化。由于分配的對象就必須顯式初始化。由于分配的對象是const的，new返回的指針就是一個(gè)指向const的指針。

內(nèi)存耗盡：
雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常都配備大容量內(nèi)村，但是自由空間被耗盡的情況還是有可能發(fā)生。一旦一個(gè)程序用光了它所有可用的空間，new表達(dá)式就會失敗。默認(rèn)情況下，如果new不能分配所需的內(nèi)存空間，他會拋出一個(gè)bad_alloc的異常，我們可以改變使用new的方式來阻止它拋出異常
?

//如果分配失敗，new返回一個(gè)空指針 int *p1 = new int;//如果分配失敗，new拋出std：：bad_alloc int *p2 = new (nothrow)int;//如果分配失敗，new返回一個(gè)空指針

我們稱這種形式的new為定位new,定位new表達(dá)式允許我們向new傳遞額外的參數(shù)，在例子中我們傳給它一個(gè)由標(biāo)準(zhǔn)庫定義的nothrow的對象，如果將nothrow傳遞給new，我們的意圖是告訴它不要拋出異常。如果這種形式的new不能分配所需內(nèi)存，它會返回一個(gè)空指針。bad_alloc和nothrow都在頭文件new中。

釋放動態(tài)內(nèi)存
為了防止內(nèi)存耗盡，在動態(tài)內(nèi)存使用完之后，必須將其歸還給系統(tǒng)，使用delete歸還。

指針值和delete
我們傳遞給delete的指針必須指向動態(tài)內(nèi)存，或者是一個(gè)空指針。釋放一塊并非new分配的內(nèi)存或者將相同的指針釋放多次，其行為是未定義的。即使delete后面跟的是指向靜態(tài)分配的對象或者已經(jīng)釋放的空間，編譯還是能夠通過，實(shí)際上是錯誤的。

動態(tài)對象的生存周期直到被釋放時(shí)為止
由shared_ptr管理的內(nèi)存在最后一個(gè)shared_ptr銷毀時(shí)會被自動釋放，但是通過內(nèi)置指針類型來管理的內(nèi)存就不是這樣了，內(nèi)置類型指針管理的動態(tài)對象，直到被顯式釋放之前都是存在的，所以調(diào)用這必須記得釋放內(nèi)存。

使用new和delete管理動態(tài)內(nèi)存常出現(xiàn)的問題：
（1）忘記delete內(nèi)存
（2）使用已經(jīng)釋放的對象
（3）同一塊內(nèi)存釋放兩次

delete之后重置指針值
在delete之后，指針就變成了空懸指針，即指向一塊曾經(jīng)保存數(shù)據(jù)對象但現(xiàn)在已經(jīng)無效的內(nèi)存的地址

有一種方法可以避免懸空指針的問題：在指針即將要離開其作用于之前釋放掉它所關(guān)聯(lián)的內(nèi)存
如果我們需要保留指針可以在delete之后將nullptr賦予指針，這樣就清楚的指出指針不指向任何對象。
動態(tài)內(nèi)存的一個(gè)基本問題是可能多個(gè)指針指向相同的內(nèi)存

shared_ptr和new結(jié)合使用
如果我們不初始化一個(gè)智能指針，它就會被初始化成一個(gè)空指針，接受指針參數(shù)的職能指針是explicit的，因此我們不能將一個(gè)內(nèi)置指針隱式轉(zhuǎn)換為一個(gè)智能指針，必須直接初始化形式來初始化一個(gè)智能指針
?

shared_ptr<int> p1 = new int(1024);//錯誤：必須使用直接初始化形式 shared_ptr<int> p2(new int(1024));//正確：使用了直接初始化形式

下表為定義和改變shared_ptr的其他方法：

不要混合使用普通指針和智能指針
如果混合使用的話，智能指針自動釋放之后，普通指針有時(shí)就會變成懸空指針，當(dāng)將一個(gè)shared_ptr綁定到一個(gè)普通指針時(shí)，我們就將內(nèi)存的管理責(zé)任交給了這個(gè)shared_ptr。一旦這樣做了，我們就不應(yīng)該再使用內(nèi)置指針來訪問shared_ptr所指向的內(nèi)存了。
也不要使用get初始化另一個(gè)智能指針或?yàn)橹悄苤羔樫x值
?

shared_ptr<int> p(new int(42));//引用計(jì)數(shù)為1 int *q = p.get();//正確：但使用q時(shí)要注意，不要讓它管理的指針被釋放 {//新程序塊//未定義：兩個(gè)獨(dú)立的share_ptr指向相同的內(nèi)存shared_ptr(q);}//程序塊結(jié)束，q被銷毀，它指向的內(nèi)存被釋放 int foo = *p;//未定義，p指向的內(nèi)存已經(jīng)被釋放了

p和q指向相同的一塊內(nèi)部才能，由于是相互獨(dú)立創(chuàng)建，因此各自的引用計(jì)數(shù)都是1，當(dāng)q所在的程序塊結(jié)束時(shí)，q被銷毀，這會導(dǎo)致q指向的內(nèi)存被釋放，p這時(shí)候就變成一個(gè)空懸指針，再次使用時(shí)，將發(fā)生未定義的行為，當(dāng)p被銷毀時(shí)，這塊空間會被二次delete

其他shared_ptr操作
可以使用reset來將一個(gè)新的指針賦予一個(gè)shared_ptr:
?

p = new int(1024);//錯誤：不能將一個(gè)指針賦予shared_ptr p.reset(new int(1024));//正確。p指向一個(gè)新對象

與賦值類似，reset會更新引用計(jì)數(shù)，如果需要的話，會釋放p的對象。reset成員經(jīng)常和unique一起使用，來控制多個(gè)shared_ptr共享的對象。在改變底層對象之前，我們檢查自己是否是當(dāng)前對象僅有的用戶。如果不是，在改變之前要制作一份新的拷貝：

if(!p.unique()) p.reset(new string(*p));//我們不是唯一用戶，分配新的拷貝 *p+=newVal;//現(xiàn)在我們知道自己是唯一的用戶，可以改變對象的值

如果使用智能指針，即使程序塊過早結(jié)束，智能指針也能確保在內(nèi)存不再需要時(shí)將其釋放，sp是一個(gè)shared_ptr,因此sp銷毀時(shí)會檢測引用計(jì)數(shù)，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，我們直接管理的內(nèi)存是不會自動釋放的。如果使用內(nèi)置指針管理內(nèi)存，且在new之后在對應(yīng)的delete之前發(fā)生了異常，則內(nèi)存不會被釋放。

使用我們自己的釋放操作
默認(rèn)情況下，shared_ptr假定他們指向的是動態(tài)內(nèi)存，因此當(dāng)一個(gè)shared_ptr被銷毀時(shí)，會自動執(zhí)行delete操作，為了用shared_ptr來管理一個(gè)connection，我們必須首先必須定義一個(gè)函數(shù)來代替delete。這個(gè)刪除器函數(shù)必須能夠完成對shared_ptr中保存的指針進(jìn)行釋放的操作。

智能指針陷阱：
（1）不使用相同的內(nèi)置指針值初始化（或reset）多個(gè)智能指針。
（2）不delete get()返回的指針
（3）不使用get()初始化或reset另一個(gè)智能指針
（4）如果你使用get()返回的指針，記住當(dāng)最后一個(gè)對應(yīng)的智能指針銷毀后，你的指針就變?yōu)闊o效了
（5）如果你使用智能指針管理的資源不是new分配的內(nèi)存，記住傳遞給它一個(gè)刪除器
#unique_ptr
某個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)unique_ptr指向一個(gè)給定對象，由于一個(gè)unique_ptr擁有它指向的對象，因此unique_ptr不支持普通的拷貝或賦值操作。
下表是unique的操作：
?

雖然我們不能拷貝或者賦值unique_ptr，但是可以通過調(diào)用release或reset將指針?biāo)袡?quán)從一個(gè)（非const）unique_ptr轉(zhuǎn)移給另一個(gè)unique

//將所有權(quán)從p1（指向string Stegosaurus）轉(zhuǎn)移給p2 unique_ptr<string> p2(p1.release());//release將p1置為空 unique_ptr<string>p3(new string("Trex")); //將所有權(quán)從p3轉(zhuǎn)移到p2 p2.reset(p3.release());//reset釋放了p2原來指向的內(nèi)存

?release成員返回unique_ptr當(dāng)前保存的指針并將其置為空。因此，p2被初始化為p1原來保存的指針，而p1被置為空。
reset成員接受一個(gè)可選的指針參數(shù)，令unique_ptr重新指向給定的指針。
調(diào)用release會切斷unique_ptr和它原來管理的的對象間的聯(lián)系。release返回的指針通常被用來初始化另一個(gè)智能指針或給另一個(gè)智能指針賦值。
不能拷貝unique_ptr有一個(gè)例外：我們可以拷貝或賦值一個(gè)將要被銷毀的unique_ptr.最常見的例子是從函數(shù)返回一個(gè)unique_ptr.
?

unique_ptr<int> clone(int p) {//正確：從int*創(chuàng)建一個(gè)unique_ptr<int>return unique_ptr<int>(new int(p)); }

還可以返回一個(gè)局部對象的拷貝：

unique_ptr<int> clone(int p) {unique_ptr<int> ret(new int(p));return ret; }

向后兼容：auto_ptr
標(biāo)準(zhǔn)庫的較早版本包含了一個(gè)名為auto_ptr的類，它具有uniqued_ptr的部分特性，但不是全部。
用unique_ptr傳遞刪除器
unique_ptr默認(rèn)使用delete釋放它指向的對象，我們可以重載一個(gè)unique_ptr中默認(rèn)的刪除器
我們必須在尖括號中unique_ptr指向類型之后提供刪除器類型。在創(chuàng)建或reset一個(gè)這種unique_ptr類型的對象時(shí)，必須提供一個(gè)指定類型的可調(diào)用對象刪除器。

#weak_ptr
weak_ptr是一種不控制所指向?qū)ο笊嫫诘闹悄苤羔?#xff0c;它指向一個(gè)由shared_ptr管理的對象，將一個(gè)weak_ptr綁定到一個(gè)shared_ptr不會改變shared_ptr的引用計(jì)數(shù)。一旦最后一個(gè)指向?qū)ο蟮膕hared_ptr被銷毀，對象就會被釋放，即使有weak_ptr指向?qū)ο?#xff0c;對象還是會被釋放。
weak_ptr的操作
?

由于對象可能不存在，我們不能使用weak_ptr直接訪問對象，而必須調(diào)用lock，此函數(shù)檢查weak_ptr指向的對象是否存在。如果存在，lock返回一個(gè)指向共享對象的shared_ptr,如果不存在，lock將返回一個(gè)空指針

#scoped_ptr
scoped和weak_ptr的區(qū)別就是，給出了拷貝和賦值操作的聲明并沒有給出具體實(shí)現(xiàn)，并且將這兩個(gè)操作定義成私有的，這樣就保證scoped_ptr不能使用拷貝來構(gòu)造新的對象也不能執(zhí)行賦值操作，更加安全，但有了"++""–"以及“*”“->”這些操作，比weak_ptr能實(shí)現(xiàn)更多功能。
?
原文鏈接：https://blog.csdn.net/flowing_wind/article/details/81301001

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【C++】智能指针详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。