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1. 介紹

本文介紹智能指針的使用。智能指針是c++ 中管理資源的一種方式，用智能指針管理資源，不必擔心資源泄露，將c++ 程序員 從指針和內(nèi)存管理中解脫出來，再者，這也是c++發(fā)展的趨勢(這話不是我說的，見《Effective c++》和《c++實踐編程》)，應(yīng)該認真學習一下。

智能指針中，最有名的應(yīng)該數(shù)auto_ptr，該智能指針已經(jīng)被納入標準庫，只需要包含<memory>頭文件即可以使用，另外，TR1文檔定義的shared_ptr和weak_ptr也已經(jīng)實現(xiàn)(我用的gcc版本是gcc 4.6.1)，它們的頭文件是<tr1/memory>?。除此之外，還有幾個好用的智能指針，不過它們屬于boost庫，不屬于STL ，所以，用不用得到，根據(jù)自己的需要。不過，了解一下總無妨，正所謂"功不唐捐"嘛。

下面分別介紹auto_ptr，scoped_ptr，scoped_array，shared_ptr，shared_array， weak_ptr 和 intrusive_ptr 。

2. auto_ptr

2.1 為什么要用智能指針

在介紹第一個智能指針之前，先介紹下為什么要使用智能指針。先看下面這個函數(shù)：

void f() { classA* ptr = new classA; // create an object explicitly ... // perform some operations delete ptr; // clean up(destory the object explicitly) }

這個函數(shù)是一系列麻煩的根源，一個顯而易見的問題是，我們經(jīng)常忘了delete 動作，特別是當函數(shù)中間存在return 語句時更是如此。然而，真正的麻煩發(fā)生于更隱晦之處，那就是當異常發(fā)生時，我們所要面對的災(zāi)難，異常一旦出現(xiàn)，函數(shù)將立刻退離，根本不會調(diào)用函數(shù)尾端的delete 語句。結(jié)果可能是內(nèi)存遺失。防止這種資源遺失的常見辦法就是捕捉所有異常，例如：

void f() { classA* ptr = new classA; // create an object explicitly try{ ... // perform some operations } catch(...){ delete ptr; //-clean up throw;//-rethrow the exception } delete ptr; // clean up(destory the object explicitly) }

你看，為了異常發(fā)生時處理對象的刪除工作，程序代碼變得多么復雜和累贅！如果還有第二個對象，如果還需要更多的catch 子句，那么簡直是一場惡夢。這不是優(yōu)良的編程風格，復雜而且容易出錯，必須盡力避免。

如果使用智能指針，情況就會大不相同了。這個智能指針應(yīng)該保證，無論在何種情形下，只要自己被摧毀，就一定要連帶釋放其所指資源。而由于智能型指針本身就是局部變量，所以無論是正常退出還是異常退出，只要函數(shù)退出，它就一定會被銷毀。auto_ptr正是這種只能型指針。

2.2 auto_ptr

auto_ptr 是這樣一種指針：它是"它所指向的對象"的擁有者，所以，當身為對象擁有者的auto_ptr 被摧毀時，該對象也將遭到摧毀。auto_ptr 要求一個對象只能有一個擁有者，嚴禁一物二主。更詳細的說，?auto_ptr 管理的資源必須絕對沒有一個以上的auto_ptr 同時指向它。?這是因為資源的擁有者在銷毀的時候，會銷毀它所擁有的資源，資源不能釋放兩次，如果同時有兩個auto_ptr擁有同一個資源，那么，在第一個auto_ptr銷毀以后，第二個auto_ptr就成為野指針了，所以，任何時刻，一個資源只有一個擁有者。

下面是上例改寫后的版本：

#include <iostream> #include <memory> using namespace std; void f() { //create and initialize an auto_ptr std::auto_ptr<classA> ptr(new classA); ... //perform some operations }

不需要delete ，也不再需要catch 了。auto_ptr 的接口與一般指針非常相似：operator *用來提取其所指對象，operator-> 用來指向?qū)ο笾械某蓡T。然而，所有指針算法（包括++在內(nèi)）都沒有定義。

注意，auto_ptr< >允許你使用一般指針慣用的賦值(assign)初始化方式。必須直接使用數(shù)值來完成除始化：

std::auto_ptr<classA> ptr1(new classA); //OK std::auto_ptr<classA> ptr2 = new classA;//ERROR

有了上面兩條語句，那么下面的問題就很顯然了。

std::auto_ptr<classA> ptr; // create an auto_ptr ptr = new classA; // ERROR ptr = std::auto_ptr<classA>(new classA); // ok, delete old object and own new

2.3 auto_ptr 擁有權(quán)的轉(zhuǎn)移

上面提到過，絕對沒有一個以上的auto_ptr同時指向同一個資源，那么，如果你復制（或賦值）一個auto_ptr指針會發(fā)生什么呢？發(fā)生擁有權(quán)轉(zhuǎn)移，如下所示：

//initizlize an auto_ptr with a new object std::auto_ptr<classA> ptr1(new classA); //copy the auto_ptr std::auto_ptr<classA> ptr2(ptr1);

在第一個語句中，ptr擁有了那個new 出來的對象。在第二個語句中，擁有權(quán)由ptr1 轉(zhuǎn)移到ptr2,此后，ptr2擁有那個對象，ptr1則是一個空指針。

同理，賦值動作也會發(fā)生擁有權(quán)的轉(zhuǎn)移。

//initizlize an auto_ptr with a new object std::auto_ptr<classA> ptr1(new classA); //copy the auto_ptr std::auto_ptr<classA> ptr2; ptr2 = ptr1;

在上面的語句中，如果ptr2已經(jīng)擁有一個對象，則，賦值動作發(fā)生時，會調(diào)用delete，將該對象刪除。

因為auto_ptr 會發(fā)生擁有權(quán)轉(zhuǎn)移問題，所以，不能完全像使用普通指針一樣使用auto_ptr ，下面這個錯誤的用法演示的auto_ptr 的特性。

//this is a bad example template <class T> void bad_print(std::auto_ptr<T> p)//p gets ownership of passed argument { //does p own an object? if (p.get() == NULL) { std::cout << "NULL"; } else { std::cout << *p; } //Oops,exiting delete the object to which p refers } int main(int argc, char const* argv[]) { std::auto_ptr<int> p(new int); *p = 42; // change value to which p refers bad_print(p); // Oops,deletes the memory to which p refers *p = 18; // RUNTIME ERROR return 0; }

我們只是想通過print函數(shù)，打印對象的值，可是，卻不小心把對象給銷毀了，這是非常低級的錯誤，再多用幾次auto_ptr 以后，就不會出現(xiàn)這種情況了。如果我們不是通過傳值，而是通過傳遞一個引用會怎么樣呢？可以這么做，可是，你得非常小心，千萬別在調(diào)用的函數(shù)里面將資源的擁有權(quán)轉(zhuǎn)移了。正確的用法應(yīng)該聲明指針常量，如下所示：

const std::auto_ptr<int>p(new int); *p = 42 // change value to which p refers bad_print(p); // COMPILE-TIME ERROR *p = 18; // OK

注意，auto_ptr 是一個指針，const auto_ptr 要表達的意思是"指針常量，指針不可指向其他資源，但是指針所指之物可以修改"，而不是指向常量的指針。所以，const auto_ptr 類似于?T* const p而不是指向常量的指針const T* p?。下面是一個使用auto_ptr 指針的完整示例：

#include <iostream> #include <memory> using namespace std; //define output operator for auto_ptr //-print object value or NULL template<class T> ostream& operator<< (ostream &strm, const auto_ptr<T> &p) { //does p own an object ? if (p.get() == NULL) { strm << "NULL"; } else { strm << *p; } return strm; } int main(int argc, char* argv[]) { auto_ptr<int> p(new int(42)); auto_ptr<int> q; cout << "after initizlization:" << endl; cout << "p : " << p << endl; cout << "q : " << q << endl; q = p; cout << "after assigning auto pointers:" << endl; cout << "p : " << p << endl; cout << "q : " << q << endl; *q += 13; p = q; cout << "after change and reassignment" << endl; cout << "p : " << p << endl; cout << "q : " << q << endl; return 0; }

輸出結(jié)果如下：

after initizlization: p : 42 q : NULL after assigning auto pointers: p : NULL q : 42 after change and reassignment p : 55 q : NULL

2.4 auto_ptr 注意事項

auto_ptr(以及后面介紹的std::tr1::shared_ptr) 在其析構(gòu)函數(shù)內(nèi)做delete,而不是delete[]動作，那意味著在動態(tài)分配而得到的array上使用auto_ptr(或tr1::shared_ptr)是一個餿主意。但是，這樣的代碼是可以通過編譯的，所以需要用戶自己留心。下面的代碼就會出現(xiàn)用new []分配資源，用delete而不是delete[] 釋放資源一樣的問題。

std::auto_ptr<std::string> aps(new std::string[10]);//資源泄漏 std::tr1::shared_ptr<int> spi(new int[1024]); //資源泄漏

標準容器需要元素具有可復制和可賦值的特性，而復制和賦值操作會使auto_ptr 發(fā)生所有權(quán)轉(zhuǎn)移，所以，auto_ptr 不能存放在容器中。

3. scoped_ptr

有了上面對auto_ptr 的解釋，理解scoped_ptr 就沒有什么難度了。scoped_ptr 的名字向讀者傳遞了明確的信息，這個智能指針只能在本作用域中使用，不希望被轉(zhuǎn)讓。 scoped_ptr 通過將拷貝構(gòu)造函數(shù)和operator= 函數(shù)聲明為私有，以此阻止智能指針的復制，也就關(guān)閉了所有權(quán)轉(zhuǎn)移的大門。

scoped_ptr 的用法與auto_ptr 幾乎一樣，大多數(shù)情況下它可以與auto_ptr 相互替換，它也可用從一個auto_ptr 獲得指針的管理權(quán)（同時，auto_ptr 失去管理權(quán)）

scoped_ptr 也具有與auto_ptr 同樣的"缺陷"——不能用作容器的元素，但原因不同，auto_ptr 是因為它的轉(zhuǎn)移語義，而scoped_ptr 則是因為不支持拷貝和賦值，不符合容器對元素類型的基本要求。

下面的代碼演示了scoped_ptr 與auto_ptr 的區(qū)別。

auto_ptr<int> ap(new int(10)); // 一個auto_ptr<int> scoped_ptr<int> sp(ap); // 從auto_ptr 獲得原始指針 assert(ap.get() == 0); // 原auto_ptr 不再擁有指針 ap.reset(new int(20)); // auto_ptr 擁有新的指針 cout << *ap << "," << *sp << endl; auto_ptr<int> ap2; ap2 = ap; // ap2 從ap 獲得原始指針，發(fā)生所有權(quán)轉(zhuǎn)移 assert(ap.get() == 0); // ap 不再擁有指針 scoped_ptr<int> sp2; // 另一個scoped_ptr sp2 = sp; // 賦值操作，無法通過編譯

比起auto_ptr ，scoped_ptr 更明確的表達了代碼原始編寫者的意圖：只能在定義的作用域內(nèi)使用，不可轉(zhuǎn)讓。

4. scoped_array

scoped_array 與scoped_ptr 沒什么區(qū)別，主要區(qū)別就是用 new[] 分配資源，用 delete [] 釋放資源，而scoped_ptr 用new 分配資源，用delete 釋放資源。用法如下：

#include <iostream> #include <algorithm> #include <iterator> #include <boost/smart_ptr.hpp> using namespace std; using namespace boost; int main(int argc, char* argv[]) { int *arr = new int[100]; //動態(tài)分配資源 scoped_array<int> sa(arr);//用scoped_array 對象代理原始動態(tài)數(shù)組 //scoped_array<int> sa( new int[100]); fill_n(&sa[0], 100, 5); sa[10] = sa[20] + sa[30];//像普通數(shù)組一樣使用 cout << sa[10] << "\t" << sa[20] << endl; return 0;//在作用域最后，自動釋放資源 }

scoped_array 與 scoped_ptr 接口和功能幾乎一樣，主要區(qū)別如下：

構(gòu)造函數(shù)接受的指針p 必須是new [] 的結(jié)果，而不能是new 表達式的結(jié)果。

沒有* ， -> 操作符重載，因為scoped_array 持有的不是一個普通指針

析構(gòu)函數(shù)使用delete []釋放資源，而不是delete

提供operator[] 操作符重載，可以像普通數(shù)組一樣使用下標訪問元素

沒有begin() end() 等類似容器的迭代器

上面這個例子，可以很方便的使用vector代替，《Boost 程序庫開發(fā)指南》的作者并不推薦使用scoped_array。

5. shared_ptr

5.1 shared_ptr 介紹

上面已經(jīng)介紹了3種智能指針，如果按照重要程度排序，auto_ptr 是最重要的，其次應(yīng)該算shared_ptr 了，shared_ptr 已經(jīng)被納入標準庫了，用gcc 的用戶只需要#include<tr1/memory>用visual studio 08/10 的用戶通過加入頭文件#include<memory>即可。

shared_ptr 是一個最像指針的"智能指針"，它實現(xiàn)了引用計數(shù)的功能，所以，指針可以隨意復制，在函數(shù)間傳遞，或者存儲在容器里面。

shared_ptr 還有兩個特有的成員函數(shù)，分別是：

unique() 用于檢查指針是否唯一的，如果是唯一的，就相當于auto_ptr

use_count() 返回當前指針的引用計數(shù)，use_count() 不提供高效率的操作，所以，use_count() 應(yīng)該僅僅用于測試或者調(diào)試。

下面看看shared_ptr 的用法：

#include <iostream> #include <tr1/memory> #include <assert.h> using namespace std; int main(int argc, char* argv[]) { std::tr1::shared_ptr<int> sp( new int(10));//一個指向整數(shù)的shared_ptr assert( sp.unique());//現(xiàn)在shared_ptr 是指針的唯一持有者 std::tr1::shared_ptr<int> sp2 = sp;//第二個shared_ptr ，拷貝構(gòu)造函數(shù) //兩個shared_ptr 相等，指向同一個對象，且引用計數(shù)為2 assert(sp == sp2 && sp.use_count() == 2); *sp2 = 100;//使用解引用操作符修改被指對象 assert(*sp == 100);//另一個shared_ptr 同時也被修改 sp.reset(); assert(!sp);//sp 不再持有對象 return 0; }

再看一個復雜一點的例子，用以演示智能指針作為成員變量和函數(shù)參數(shù)的情況。

#include <iostream> #include <tr1/memory> #include <assert.h> using namespace std; using namespace std::tr1; class shared{ private: shared_ptr<int> p; public: shared(shared_ptr<int> p_):p(p_){}; void print() { cout << "count:" << p.use_count() << " v = " << *p << endl; } }; void print_fun(shared_ptr<int> p) { cout << "count:" << p.use_count() << " v = " << *p << endl; } int main(int argc, char* argv[]) { shared_ptr<int> p(new int(100)); shared s1(p), s2(p); s1.print(); s2.print(); *p = 20; print_fun(p); s1.print(); }

輸出結(jié)果如下：

count:3 v = 100 count:3 v = 100 count:4 v = 20 count:3 v = 20

可以看到，我們不用關(guān)心shared_ptr 的具體實現(xiàn)，也不需要煩心它的引用計數(shù)是多少，我們只需要把它當成一個普通指針使用，再也不用擔心資源泄漏。

auto_ptr 不能一物侍二主，所以，拷貝的時候會發(fā)生所有權(quán)轉(zhuǎn)移，而shared_ptr 則不存在這個問題呢，那么，把一個 auto_ptr 復制給 shared_ptr 或者把一個shared_ptr 復制給auto_ptr 會發(fā)生什么呢？答案是編譯錯誤，即你不能這么做。

5.2 make_shared

前面說過，shared_ptr 是最像指針的智能指針，有了shared_ptr ，我們幾乎可以拋棄delete了，但是，我們還是用到了new,用到了new 而不delete ，很不對稱不是嗎，所以，TR1又定義了一個小工具make_shared(類似與make_pair)來幫助我們生成對象，不過，這個功能好像還沒有實現(xiàn)，如果，等不及要玩一下，可以用boost庫，make_shared 在頭文件#include<boost/make_shared.hpp>中定義，使用方法如下：

#include <iostream> #include <string> #include <vector> #include <boost/make_shared.hpp> using namespace std; int main(int argc, char const* argv[]) { boost::shared_ptr<string> sp = boost::make_shared<string>("make_shared"); cout << *sp << endl; boost::shared_ptr< vector<int> > spv = boost::make_shared< vector<int> >(10, 2); cout << spv->size() << endl; return 0; }

shared_ptr 可以應(yīng)用于標注庫，唯一需要牢記的是，shared_ptr 是一個指針，行為類似于普通指針，知道這一點以后，下面的代碼就不難理解了。

#include <boost/make_shared.hpp> #include <iostream> #include <vector> #include <boost/smart_ptr.hpp> using namespace std; using namespace boost; int main(int argc, char const* argv[]) { typedef vector< shared_ptr<int> > vs; //聲明一個持有shared_ptr 的標準容器類型，元素被初始化為空指針 vs v(10); int i = 0; for (vs::iterator pos = v.begin(); pos != v.end(); ++pos) { (*pos) = make_shared<int>(++i);//使用工廠函數(shù)(make_shared)賦值 cout << *(*pos) << ", ";//輸出值 } cout << endl; shared_ptr<int> p = v[9]; *p = 100; cout << *v[9] << endl; return 0; }

5.3 shared_ptr 的缺陷（循環(huán)引用）

shared_ptr 需要當心循環(huán)引用的問題，不然還是會發(fā)生資源泄漏。詳細信息見這里。

6. shared_array

我們知道scoped_ptr 和 scoped_array 的用法和區(qū)別以后，很容易猜到shared_array 的用法了。

shared_array 類似于shared_ptr ，它包裝了new[] 操作符在堆上分配的動態(tài)數(shù)組，同樣，使用引用計數(shù)機制為動態(tài)數(shù)組提供了一個代理，可以在程序的生命周期里上期存在，直到?jīng)]有任何引用后才釋放內(nèi)存。

shared_array 的接口和功能幾乎與shared_ptr 是相同的，主要區(qū)別如下：

構(gòu)造函數(shù)接受指針p必須是new[] 的結(jié)果，而不是new 分配的資源

提供operator[] 操作符重載，可以像普通數(shù)組一樣用下標訪問

沒有* -> 操作符重載，因為shared_array 持有的不是一個普通指針

析構(gòu)函數(shù)使用delete[] 釋放資源，而不是delete

shared_array 用法的簡單示例：

#include <iostream> #include <boost/smart_ptr.hpp> #include <assert.h> using namespace std; using namespace boost; int main(int argc, char const* argv[]) { shared_array<int> sa( new int[100]); shared_array<int> sa2 = sa; sa[0] = 10; cout << sa.use_count() << endl; cout << sa[0] << endl; assert( sa2[0] == 10); return 0; }

7. weak_ptr

關(guān)于weak_ptr 我是知其然，但不知其所以然。下面的說明和例子都來自《Boost 程序庫完全開發(fā)指南》，無任何更改，沒有理解透徹，怕改錯了。

weak_ptr 被設(shè)計為與shared_ptr 共同工作，可以從一個shared_ptr 或者另一個weak_ptr 對象構(gòu)造，獲得資源的觀測權(quán)。但是weak_ptr 沒有共享資源，它的構(gòu)造函數(shù)不會引起指針引用計數(shù)的增加。同樣，在weak_ptr 析構(gòu)時，也不會導致引用計數(shù)減少，它只是一個靜靜的觀察者。

使用weak_ptr 的成員函數(shù)use_count() 可以觀測資源的引用計數(shù)，另一個成員函數(shù)expired() 的功能等價于use_count() == 0，但更快，表示被觀測的資源已經(jīng)不復存在。

weak_ptr 沒有重載operator* 和 -> ，這是特意的，因為它不共享指針，不能操作資源，這正是它"弱"的原因，但它可以使用一個非常重要的成員函數(shù)lock() 從被觀測的shared_ptr 獲得一個可用的shared_ptr 對象，從而操作資源。但當expired() == ture的時候，lock()函數(shù)返回一個存儲空指針的shared_ptr 。

下面的代碼示范了weak_ptr 的用法：

shared_ptr<int> sp (new int(10)); // 一個shared_ptr assert(sp.use_count() == 1); weak_ptr<int> wp(sp); // 從shared_ptr 創(chuàng)建weak_ptr assert(sp.use_count() == 1); // weak_ptr 不影響引用計數(shù) if (!wp.expired()) // 判斷weak_ptr 觀察的對象是否有效 { shared_ptr<int> sp2 = wp.lock();//獲得一個shared_ptr *sp2 = 100; assert(sp.use_count() == 2); }//退出作用域，sp2 自動析構(gòu)，引用計數(shù)減1 assert(sp.use_count() == 1); sp.reset(); // shared_ptr 失效 assert(wp.expired()); // weak_ptr 將獲得一個空指針 assert(!wp.lock());

8. intrusive_ptr

Boost 庫實現(xiàn)了該指針，Boost 庫不推薦使用intrusive_ptr。

9. 注意事項

• 在資源管理類中提供對原始資源的訪問(Item 15)

  使用智能指針的時候，可以通過get()成員函數(shù)，獲取原始指針，從而與一下需要用到原始資源的API打交道，如果這樣的API特別多，每次都寫.get() 不光費時，而且不夠清晰，這時，應(yīng)該提供隱式類型轉(zhuǎn)換。如下所示：

  class Font{ public: .... //隱式類型轉(zhuǎn)換 operator FondHandle() const {return f;} ... };

• 以獨立的語句將newd 對象置入智能指針(Item 17)

應(yīng)該用獨立的語句將newd 的對象置入只能指針，考慮如下調(diào)用： processWidget(std::tr1::shared_ptr(new Widget), priority());

在上面的調(diào)用中，需要處理以下三件事：

調(diào)用priority

執(zhí)行new Widget

調(diào)用tr1::shared_ptr構(gòu)造函數(shù)

c++ 編譯器會以什么樣的次序完成上面三件事，我們不得而知，如果調(diào)用序列如下：

執(zhí)行new Widget

調(diào)用priority

調(diào)用tr1::shared_ptr構(gòu)造函數(shù)

萬一對priority 的調(diào)用導致異常，則new Widget返回的指針就會遺失，我們無法使用，也無法釋放該資源，所以，安全的處理方式，應(yīng)該是這樣的：

std::tr1::shared_ptr<Widget> pw(new Widget); processWidget(pw, priority());

10. 總結(jié)

在上面所有介紹的智能指針中，auto_ptr ，shared_ptr 和weak_ptr 已經(jīng)納入標準庫，可以放心使用，而不用擔心可移植性的問題。其中auto_ptr 和shared_ptr 最為重要，shared_ptr和普通指針最為相似，不知道該用哪種類型的智能指針的時候，就用shared_ptr 。

參考資料

• 《C++ 標準程序庫》
• 《Boost 程序庫完全開發(fā)指南》
• 《Effective c++》

轉(zhuǎn)載：http://mingxinglai.com/cn/2013/01/smart-ptr/

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的智能指针学习笔记的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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