C++教育訓練 C++ 智能指針詳解

　　c++教育訓練 c++ 智能指針詳解

　　一、簡介

　　由于 c++ 語言沒有自動記憶體回收機制，程式員每次 new 出來的記憶體都要手動 delete。程式員忘記 delete，流程太複雜，最終導緻沒有 delete，異常導緻程式過早退出，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比對問題，真的有必要嗎?看完這篇文章後，我想你心裡自然會有答案。

　　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，在棧對象生命期即将結束時，智能指針通過析構函數釋放有它管理的堆記憶體。所有智能指針都重載了“operator->”操作符，直接傳回對象的引用，用以操作對象。通路智能指針原來的方法則使用“.”操作符。

　　通路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，是以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)，則智能指針會釋放目前管理的記憶體。如果傳遞一個對象，則智能指針會釋放目前對象，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，包含頭檔案 #include 便可以使用。std::auto_ptr 能夠友善的管理單個堆記憶體對象。

　　我們從代碼開始分析：

　　void testautoptr() {

　　std::auto_ptr my_memory(new simple(1)); // 建立對象，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() 傳回裸指針，然後給内部對象指派

　　my_memory->printsomething(); // 再次列印，表明上述指派成功

　　(*my_memory).info_extend += " other"; // 使用 operator* 傳回智能指針内部對象，然後用“.”調用智能指針對象中的函數

　　} // my_memory 棧對象即将結束生命期，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 my_memory(new simple(1));

　　if (my_memory.get()) {

　　std::auto_ptr my_memory2; // 建立一個新的 my_memory2 對象

　　my_memory2 = my_memory; // 複制舊的 my_memory 給 my_memory2

　　my_memory2->printsomething(); // 輸出資訊，複制成功

　　my_memory->printsomething(); // 崩潰

　　最終如上代碼導緻崩潰，如上代碼時絕對符合 c++ 程式設計思想的，居然崩潰了，跟進 std::auto_ptr 的源碼後，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 的記憶體管理所有權，導緻 my_memory 懸空，最後使用時導緻崩潰。

　　是以，使用 std::auto_ptr 時，絕對不能使用“operator=”操作符。作為一個庫，不允許使用者使用，确沒有明确拒絕[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後，讓我們再來看一個：

　　void testautoptr3() {

　　my_memory.release();

　　看到什麼異常了嗎?我們建立出來的對象沒有被析構，沒有輸出“~simple: 1”，導緻記憶體洩露。當我們不想讓 my_memory 繼續生存下去，我們調用 release() 函數釋放記憶體，結果卻導緻記憶體洩露(在記憶體受限系統中，如果my_memory占用太多記憶體，我們會考慮在使用完成後，立刻歸還，而不是等到 my_memory 結束生命期後才歸還)。

　　正确的代碼應該為：

　　simple* temp_memory = my_memory.release();

　　delete temp_memory;

　　或

　　my_memory.reset(); // 釋放 my_memory 内部管理的記憶體

　　原來 std::auto_ptr 的 release() 函數隻是讓出記憶體所有權，這顯然也不符合 c++ 程式設計思想。

　　總結：std::auto_ptr 可用來管理單個對象的對記憶體，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确定為什麼不能)。

　　(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，還不能用來管理堆記憶體數組，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，就導緻問題了。

　　由于 std::auto_ptr 引發了諸多問題，一些設計并不是非常符合 c++ 程式設計思想，是以引發了下面 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，包含頭檔案 #include 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一樣，可以友善的管理單個堆記憶體對象，特别的是，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 my_memory(new simple(1));

　　my_memory->printsomething();

　　my_memory.get()->info_extend = "addition";

　　(*my_memory).info_extend += " other";

　　my_memory.release(); // 編譯 error: scoped_ptr 沒有 release 函數

　　std::auto_ptr my_memory2;

　　my_memory2 = my_memory; // 編譯 error: scoped_ptr 沒有重載 operator=，不會導緻所有權轉移

　　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，不會導緻先前的記憶體洩露問題。其次，由于 boost::scoped_ptr 是獨享所有權的，是以明确拒絕使用者寫“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，當我們真真需要複制智能指針時，需求便滿足不了了，如此我們再引入一個智能指針，專門用于處理複制，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，包含頭檔案 #include 便可以使用。在上面我們看到 boost::scoped_ptr 獨享所有權，不允許指派、拷貝，boost::shared_ptr 是專門用于共享所有權的，由于要共享所有權，其在内部使用了引用計數。boost::shared_ptr 也是用于管理單個堆記憶體對象的。

　　void testsharedptr(boost::shared_ptr 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 my_memory(new simple(1));

　　std::cout << "testsharedptr2 usecount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

　　testsharedptr(my_memory);

　　//my_memory.release();// 編譯 error: 同樣，shared_ptr 也沒有 release 函數

　　testsharedptr2 usecount: 1

　　testsharedptr usecount: 2

　　boost::shared_ptr 也可以很友善的使用。并且沒有 release() 函數。關鍵的一點，boost::shared_ptr 内部維護了一個引用計數，由此可以支援複制、參數傳遞等。boost::shared_ptr 提供了一個函數 use_count() ，此函數傳回 boost::shared_ptr 内部的引用計數。檢視執行結果，我們可以看到在 testsharedptr2 函數中，引用計數為 1，傳遞參數後(此處進行了一次複制)，在函數testsharedptr 内部，引用計數為2，在 testsharedptr 傳回後，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，包含頭檔案 #include 便可以使用。

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

　　void testscopedarray() {

　　boost::scoped_array my_memory(new simple[2]); // 使用記憶體數組來初始化

　　my_memory[0].printsomething();

　　my_memory.get()[0].info_extend = "addition";

　　(*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 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，不支援複制，并且初始化的時候需要使用動态數組。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() 函數更明确些。

　　下面肯定應該講 boost::shared_array 了，一個用引用計數解決複制、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，包含頭檔案 #include 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、對象指派等)不滿足需求，由此我們引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一樣，内部使用了引用計數。

　　void testsharedarray(boost::shared_array 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 my_memory(new simple[2]);

　　my_memory.get()[0].info_extend = "addition 00";

　　my_memory[1].printsomething();

　　my_memory.get()[1].info_extend = "addition 11";

　　//(*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);

　　simple: 0

　　printsomething: addition 00

　　printsomething: addition 11

　　testsharedarray2 usecount: 1

　　testsharedarray usecount: 2

　　~simple: 0

　　跟 boost::shared_ptr 一樣，使用了引用計數，可以複制，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% 的使用過标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，但有什麼用處呢，一起看看吧。

　　7、boost::weak_ptr

　　boost::weak_ptr 屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭檔案 #include 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内容。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記憶體的管理了，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，我們隻關心能否使用對象，并不關心内部的引用計數。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的觀察者(observer)對象，觀察者意味着 boost::weak_ptr 隻對 boost::shared_ptr 進行引用，而不改變其引用計數，當被觀察的 boost::shared_ptr 失效後，相應的 boost::weak_ptr 也相應失效。

　　void testweakptr() {

　　boost::weak_ptr my_memory_weak;

　　std::cout << "testweakptr boost::shared_ptr usecount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

　　my_memory_weak = my_memory;

　　testweakptr boost::shared_ptr usecount: 1

　　我們看到，盡管被指派了，内部的引用計數并沒有什麼變化，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 到底有什麼作用呢?從上面那個例子看來，似乎沒有任何作用，其實 boost::weak_ptr 主要用在軟體架構設計中，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指派了，而不用影響子類 boost::shared_ptr 的引用計數，用以降低複雜度，更好的管理對象。

　　8、boost::intrusive_ptr

　　boost::intrusive_ptr屬于 boost 庫，定義在 namespace boost 中，包含頭檔案 #include 便可以使用。

　　講完如上 6 種智能指針後，對于一般程式來說 c++ 堆記憶體管理就夠用了，現在有多了一種 boost::intrusive_ptr，這是一種插入式的智能指針，内部不含有引用計數，需要程式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

　　如上講了這麼多智能指針，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++ 程式設計思想，而且極容易出錯[2]。

　　2、在确定對象無需共享的情況下，使用 boost::scoped_ptr(當然動态數組使用 boost::scoped_array)。

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

　　4、在需要通路 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，一般常用于軟體架構設計中。

　　5、最後一點，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。