C++ 智能指針詳解

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一、簡介

由于 C++ 語言沒有自動內存回收機制，程序員每次 new 出來的內存都要手動 delete。程序員忘記 delete，流程太復雜，最終導致沒有 delete，異常導致程序過早退出，沒有執行 delete 的情況并不罕見。

用智能指針便可以有效緩解這類問題，本文主要講解參見的智能指針的用法。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，如此多的智能指針就為了解決new、delete匹配問題，真的有必要嗎？看完這篇文章后，我想你心里自然會有答案。

    下面就按照順序講解如上 7 種智能指針（smart_ptr）。

 

二、具體使用

1、總括

對于編譯器來說，智能指針實際上是一個棧對象，并非指針類型，在棧對象生命期即將結束時，智能指針通過析構函數釋放有它管理的堆內存。所有智能指針都重載了“operator->”操作符，直接返回對象的引用，用以操作對象。訪問智能指針原來的方法則使用“.”操作符。

訪問智能指針包含的裸指針則可以用 get() 函數。由于智能指針是一個對象，所以if (my_smart_object)永遠為真，要判斷智能指針的裸指針是否為空，需要這樣判斷：if (my_smart_object.get())。

智能指針包含了 reset() 方法，如果不傳遞參數（或者傳遞 NULL），則智能指針會釋放當前管理的內存。如果傳遞一個對象，則智能指針會釋放當前對象，來管理新傳入的對象。

我們編寫一個測試類來輔助分析：

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::auto_ptr 屬于 STL，當然在 namespace std 中，包含頭文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能夠方便的管理單個堆內存對象。

我們從代碼開始分析：

void TestAutoPtr() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));   // 創建對象，輸出：Simple：1
if (my_memory.get()) {                            // 判斷智能指針是否為空
my_memory->PrintSomething();                    // 使用 operator-> 調用智能指針對象中的函數
my_memory.get()->info_extend = "Addition";      // 使用 get() 返回裸指針，然后給內部對象賦值
my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述賦值成功
(*my_memory).info_extend += " other";           // 使用 operator* 返回智能指針內部對象，然后用“.”調用智能指針對象中的函數
my_memory->PrintSomething();                    // 再次打印，表明上述賦值成功
  }
}                                                   // my_memory 棧對象即將結束生命期，析構堆對象 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::auto_ptr 的代碼，一切似乎都良好，無論如何不用我們顯示使用該死的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;   // 創建一個新的 my_memory2 對象
    my_memory2 = my_memory;             // 復制舊的 my_memory 給 my_memory2
    my_memory2->PrintSomething();       // 輸出信息，復制成功
    my_memory->PrintSomething();        // 崩潰
  }
}

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 的源碼后，我們看到，罪魁禍首是“my_memory2 = my_memory”，這行代碼，my_memory2 完全奪取了 my_memory 的內存管理所有權，導致 my_memory 懸空，最后使用時導致崩潰。

所以，使用 std::auto_ptr 時，絕對不能使用“operator=”操作符。作為一個庫，不允許用戶使用，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后，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();
  }
}

執行結果為：

Simple: 1

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();  // 釋放 my_memory 內部管理的內存
  }
}

看到什么異常了嗎？我們創建出來的對象沒有被析構，沒有輸出“~Simple: 1”，導致內存泄露。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，結果卻導致內存泄露（在內存受限系統中，如果my_memory占用太多內存，我們會考慮在使用完成后，立刻歸還，而不是等到 my_memory 結束生命期后才歸還）。

正確的代碼應該為：

原來 std::auto_ptr 的 release() 函數只是讓出內存所有權，這顯然也不符合 C++ 編程思想。

總結：std::auto_ptr 可用來管理單個對象的對內存，但是，請注意如下幾點：

（1）    盡量不要使用“operator=”。如果使用了，請不要再使用先前對象。

（2）    記住 release() 函數不會釋放對象，僅僅歸還所有權。

（3）    std::auto_ptr 最好不要當成參數傳遞（讀者可以自行寫代碼確定為什么不能）。

（4）    由于 std::auto_ptr 的“operator=”問題，有其管理的對象不能放入 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的事情吧，我也覺得限制挺多的，哪天一個不小心，就導致問題了。

由于 std::auto_ptr 引發了諸多問題，一些設計并不是非常符合 C++ 編程思想，所以引發了下面 boost 的智能指針，boost 智能指針可以解決如上問題。

讓我們繼續向下看。

 

3、boost::scoped_ptr

boost::scoped_ptr 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一樣，可以方便的管理單個堆內存對象，特別的是，boost::scoped_ptr 獨享所有權，避免了 std::auto_ptr惱人的幾個問題。

我們還是從代碼開始分析：

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();           // 編譯 error: scoped_ptr 沒有 release 函數
    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
    my_memory2 = my_memory;        // 編譯 error: scoped_ptr 沒有重載 operator=，不會導致所有權轉移
  }
}

首先，我們可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一樣正常使用。但其沒有release() 函數，不會導致先前的內存泄露問題。其次，由于 boost::scoped_ptr 是獨享所有權的，所以明確拒絕用戶寫“my_memory2 = my_memory”之類的語句，可以緩解 std::auto_ptr 幾個惱人的問題。

    由于 boost::scoped_ptr 獨享所有權，當我們真真需要復制智能指針時，需求便滿足不了了，如此我們再引入一個智能指針，專門用于處理復制，參數傳遞的情況，這便是如下的boost::shared_ptr。

 

4、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我們看到 boost::scoped_ptr 獨享所有權，不允許賦值、拷貝，boost::shared_ptr 是專門用于共享所有權的，由于要共享所有權，其在內部使用了引用計數。boost::shared_ptr 也是用于管理單個堆內存對象的。

我們還是從代碼開始分析：

void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) {  // 注意：無需使用 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();// 編譯 error: 同樣，shared_ptr 也沒有 release 函數
}
執行結果為：
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。并且沒有 release() 函數。關鍵的一點，boost::shared_ptr 內部維護了一個引用計數，由此可以支持復制、參數傳遞等。boost::shared_ptr 提供了一個函數 use_count() ，此函數返回 boost::shared_ptr 內部的引用計數。查看執行結果，我們可以看到在 TestSharedPtr2 函數中，引用計數為 1，傳遞參數后（此處進行了一次復制），在函數TestSharedPtr 內部，引用計數為2，在 TestSharedPtr 返回后，引用計數又降低為 1。當我們需要使用一個共享對象的時候，boost::shared_ptr 是再好不過的了。

在此，我們已經看完單個對象的智能指針管理，關于智能指針管理數組，我們接下來講到。

 

5、boost::scoped_array

boost::scoped_array 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

    boost::scoped_array 便是用于管理動態數組的。跟 boost::scoped_ptr 一樣，也是獨享所有權的。

我們還是從代碼開始分析：

void TestScopedArray() {
      boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用內存數組來初始化
      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";            // 編譯 error，scoped_ptr沒有重載 operator*
        my_memory[0].release();                             // 同上，沒有 release 函數
        boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
        my_memory2 = my_memory;                             // 編譯error，同上，沒有重載 operator=
      }
    }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持復制，并且初始化的時候需要使用動態數組。另外，boost::scoped_array 沒有重載“operator*”，其實這并無大礙，一般情況下，我們使用 get() 函數更明確些。

    下面肯定應該講 boost::shared_array 了，一個用引用計數解決復制、參數傳遞的智能指針類。

 

6、boost::shared_array

boost::shared_array 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

    由于 boost::scoped_array 獨享所有權，顯然在很多情況下（參數傳遞、對象賦值等）不滿足需求，由此我們引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一樣，內部使用了引用計數。

我們還是從代碼開始分析：

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 注意：無需使用 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";  // 編譯 error，scoped_ptr 沒有重載 operator*
  }
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
  TestSharedArray(my_memory);
  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}
執行結果為：
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 一樣，使用了引用計數，可以復制，通過參數來傳遞。

 

至此，我們講過的智能指針有std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。這幾個智能指針已經基本夠我們使用了，90% 的使用過標準智能指針的代碼就這 5 種。可如下還有兩種智能指針，它們肯定有用，但有什么用處呢，一起看看吧。

 

7、boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

在講 boost::weak_ptr 之前，讓我們先回顧一下前面講解的內容。似乎boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 這兩個智能指針就可以解決所有單個對象內存的管理了，這兒還多出一個 boost::weak_ptr，是否還有某些情況我們沒納入考慮呢？

回答：有。首先 boost::weak_ptr 是專門為 boost::shared_ptr 而準備的。有時候，我們只關心能否使用對象，并不關心內部的引用計數。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的觀察者（Observer）對象，觀察者意味著 boost::weak_ptr 只對 boost::shared_ptr 進行引用，而不改變其引用計數，當被觀察的 boost::shared_ptr 失效后，相應的 boost::weak_ptr 也相應失效。

我們還是從代碼開始分析：

    

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;
}
    執行結果為：
Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1

    我們看到，盡管被賦值了，內部的引用計數并沒有什么變化，當然，讀者也可以試試傳遞參數等其他情況。

    現在要說的問題是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？從上面那個例子看來，似乎沒有任何作用，其實 boost::weak_ptr 主要用在軟件架構設計中，可以在基類（此處的基類并非抽象基類，而是指繼承于抽象基類的虛基類）中定義一個 boost::weak_ptr，用于指向子類的boost::shared_ptr，這樣基類僅僅觀察自己的 boost::weak_ptr 是否為空就知道子類有沒對自己賦值了，而不用影響子類 boost::shared_ptr 的引用計數，用以降低復雜度，更好的管理對象。

 

    8、boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

講完如上 6 種智能指針后，對于一般程序來說 C++ 堆內存管理就夠用了，現在有多了一種boost::intrusive_ptr，這是一種插入式的智能指針，內部不含有引用計數，需要程序員自己加入引用計數，不然編譯不過（⊙﹏⊙b汗）。個人感覺這個智能指針沒太大用處，至少我沒用過。有興趣的朋友自己研究一下源代碼哦J。

 

 

三、總結

如上講了這么多智能指針，有必要對這些智能指針做個總結：

1、在可以使用 boost 庫的場合下，拒絕使用 std::auto_ptr，因為其不僅不符合 C++ 編程思想，而且極容易出錯[2]。

2、在確定對象無需共享的情況下，使用 boost::scoped_ptr（當然動態數組使用boost::scoped_array）。

3、在對象需要共享的情況下，使用 boost::shared_ptr（當然動態數組使用boost::shared_array）。

4、在需要訪問 boost::shared_ptr 對象，而又不想改變其引用計數的情況下，使用boost::weak_ptr，一般常用于軟件框架設計中。

5、最后一點，也是要求最苛刻一點：在你的代碼中，不要出現 delete 關鍵字（或 C 語言的free 函數），因為可以用智能指針去管理。

 

新聞名稱：C++智能指針詳解（真的很經典）
網頁網址：http://vcdvsql.cn/article20/gjesco.html

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