智能指针二

Boost智能指针——shared_ptr

boost::scoped_ptr虽然简单易用，但它不能共享所有权的特性却大大限制了其使用范围，而boost::shared_ptr可以解决这一局限。顾名思义，boost::shared_ptr是可以共享所有权的智能指针，首先让我们通过一个例子看看它的基本用法：

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/shared_ptr.hpp>

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation/n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something/n"; }
};

void test()
{
    boost::shared_ptr<implementation> sp1(new implementation());
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp1.use_count()<<" references/n";

    boost::shared_ptr<implementation> sp2 = sp1;
    std::cout<<"The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references/n";
    
    sp1.reset();
    std::cout<<"After Reset sp1. The Sample now has "<<sp2.use_count()<<" references/n";

    sp2.reset();
    std::cout<<"After Reset sp2./n";
}

void main()
{
    test();
}

该程序的输出结果如下：

The Sample now has 1 references
The Sample now has 2 references
After Reset sp1. The Sample now has 1 references
destroying implementation
After Reset sp2.

可以看到，boost::shared_ptr指针sp1和sp2同时拥有了implementation对象的访问权限，且当sp1和sp2都释放对该对象的所有权时，其所管理的的对象的内存才被自动释放。在共享对象的访问权限同时，也实现了其内存的自动管理。

boost::shared_ptr的内存管理机制：

boost::shared_ptr的管理机制其实并不复杂，就是对所管理的对象进行了引用计数，当新增一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数加一；减少一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数减一，如果该对象的引用计数为0的时候，说明没有任何指针对其管理，才调用delete释放其所占的内存。

上面的那个例子可以的图示如下：

1. sp1对implementation对象进行管理，其引用计数为1
   
2. 增加sp2对implementation对象进行管理，其引用计数增加为2
   
3. sp1释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为1
   
4. sp2释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为0，该对象被自动删除
   

boost::shared_ptr的特点：

和前面介绍的boost::scoped_ptr相比，boost::shared_ptr可以共享对象的所有权，因此其使用范围基本上没有什么限制（还是有一些需要遵循的使用规则，下文中介绍），自然也可以使用在stl的容器中。另外它还是线程安全的，这点在多线程程序中也非常重要。

boost::shared_ptr的使用规则：

boost::shared_ptr并不是绝对安全，下面几条规则能使我们更加安全的使用boost::shared_ptr：

1. 避免对shared_ptr所管理的对象的直接内存管理操作，以免造成该对象的重释放
2. shared_ptr并不能对循环引用的对象内存自动管理（这点是其它各种引用计数管理内存方式的通病）。
3. 不要构造一个临时的shared_ptr作为函数的参数。
   如下列代码则可能导致内存泄漏：
   void test()
   {
       foo(boost::shared_ptr<implementation>(new    implementation()),g());
   }
   正确的用法为：
   void test()
   {
       boost::shared_ptr<implementation> sp    (new implementation());
       foo(sp,g());
   }

   Boost智能指针——weak_ptr

   循环引用：

   引用计数是一种便利的内存管理机制，但它有一个很大的缺点，那就是不能管理循环引用的对象。一个简单的例子如下：

   #include <string>
   #include <iostream>
   #include <boost/shared_ptr.hpp>
   #include <boost/weak_ptr.hpp>
   
   class parent;
   class children;
   
   typedef boost::shared_ptr<parent> parent_ptr;
   typedef boost::shared_ptr<children> children_ptr;
   
   class parent
   {
   public:
       ~parent() { std::cout <<"destroying parent/n"; }
   
   public:
       children_ptr children;
   };
   
   class children
   {
   public:
       ~children() { std::cout <<"destroying children/n"; }
   
   public:
       parent_ptr parent;
   };
   
   
   void test()
   {
       parent_ptr father(new parent());
       children_ptr son(new children);
   
       father->children = son;
       son->parent = father;
   }
   
   void main()
   {
       std::cout<<"begin test.../n";
       test();
       std::cout<<"end test./n";
   }
   

   运行该程序可以看到，即使退出了test函数后，由于parent和children对象互相引用，它们的引用计数都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了c++中那臭名昭著的内存泄漏。

   一般来讲，解除这种循环引用有下面有三种可行的方法：

   1. 当只剩下最后一个引用的时候需要手动打破循环引用释放对象。
   2. 当parent的生存期超过children的生存期的时候，children改为使用一个普通指针指向parent。
   3. 使用弱引用的智能指针打破这种循环引用。

   虽然这三种方法都可行，但方法1和方法2都需要程序员手动控制，麻烦且容易出错。这里主要介绍一下第三种方法和boost中的弱引用的智能指针boost::weak_ptr。

   强引用和弱引用

   一个强引用当被引用的对象活着的话，这个引用也存在（就是说，当至少有一个强引用，那么这个对象就不能被释放）。boost::share_ptr就是强引用。

   相对而言，弱引用当引用的对象活着的时候不一定存在。仅仅是当它存在的时候的一个引用。弱引用并不修改该对象的引用计数，这意味这弱引用它并不对对象的内存进行管理，在功能上类似于普通指针，然而一个比较大的区别是，弱引用能检测到所管理的对象是否已经被释放，从而避免访问非法内存。

   boost::weak_ptr

   boost::weak_ptr<T>是boost提供的一个弱引用的智能指针，它的声明可以简化如下：

   namespace boost {
   
       template<typename T> class weak_ptr {
       public:
           template <typename Y>
           weak_ptr(const shared_ptr<Y>& r);
   
           weak_ptr(const weak_ptr& r);
   
           ~weak_ptr();
   
           T* get() const;
           bool expired() const;
           shared_ptr<T> lock() const;
       };
   }
   

   可以看到，boost::weak_ptr必须从一个boost::share_ptr或另一个boost::weak_ptr转换而来，这也说明，进行该对象的内存管理的是那个强引用的boost::share_ptr。boost::weak_ptr只是提供了对管理对象的一个访问手段。

   boost::weak_ptr除了对所管理对象的基本访问功能（通过get()函数）外，还有两个常用的功能函数：expired()用于检测所管理的对象是否已经释放；lock()用于获取所管理的对象的强引用指针。

   通过boost::weak_ptr来打破循环引用

   由于弱引用不更改引用计数，类似普通指针，只要把循环引用的一方使用弱引用，即可解除循环引用。对于上面的那个例子来说，只要把children的定义改为如下方式，即可解除循环引用：

   class children
   {
   public:
       ~children() { std::cout <<"destroying children/n"; }
   
   public:
       boost::weak_ptr<parent> parent;
   };
   

   最后值得一提的是,虽然通过弱引用指针可以有效的解除循环引用，但这种方式必须在程序员能预见会出现循环引用的情况下才能使用，也可以是说这个仅仅是一种编译期的解决方案，如果程序在运行过程中出现了循环引用，还是会造成内存泄漏的。因此，不要认为只要使用了智能指针便能杜绝内存泄漏。毕竟，对于C++来说，由于没有垃圾回收机制，内存泄漏对每一个程序员来说都是一个非常头痛的问题。