C++ 智能指针

C++ 智能指针详解

一、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。你可能会想，如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题，真的有必要吗？看完这篇文章后，我想你心里自然会有答案。
下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针（smart_ptr）。

二、具体使用
1、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。
我们编写一个测试类来辅助分析：
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 属于 STL，当然在 namespace std 中，包含头文件 #include 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。
我们从代码开始分析：
void TestAutoPtr() {
std::auto_ptr 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，无论如何不用我们显示使用该死的 delete 了。

其实好景不长，我们看看如下的另一个例子：
void TestAutoPtr2() {
std::auto_ptr my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
std::auto_ptr 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[1]，多少会觉得有点出乎预料。

看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后，让我们再来看一个：
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr my_memory(new Simple(1));

if (my_memory.get()) {
my_memory.release();
}
}
执行结果为：
Simple: 1
看到什么异常了吗？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 my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
Simple* temp_memory = my_memory.release();
delete temp_memory;
}
}
或
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr 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（读者可以自行写代码确定为什么不能）。
（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。
（5） ……
使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多，还不能用来管理堆内存数组，这应该是你目前在想的事情吧，我也觉得限制挺多的，哪天一个不小心，就导致问题了。
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。
让我们继续向下看。

3、boost::scoped_ptr
boost::scoped_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件 #include

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[1]参见《effective C++（3rd）》，条款06 。
[2]关于 boost 库的使用，可本博客另外一篇文章：《在 Windows 中编译 boost1.42.0》。
[3]读者应该看到了，在我所有的名字前，都加了命名空间标识符std::（或boost::），这不是我不想写 using namespace XXX 之类的语句，在大型项目中，有可能会用到 N 个第三方库，如果把命名空间全放出来，命名污染（Naming conflicts）问题很难避免，到时要改回来是极端麻烦的事情。当然，如果你只是写 Demo，可以例外。