C++ 11智能指针之unique_ptr

unique_ptr是一个独享所有权的智能指针，它提供了一种严格语义上的所有权，包括：
1、拥有它所指向的对象。
2、无法进行复制构造，也无法进行复制赋值操作。也就是说，我们无法得到指向同一个对象的两个unique_ptr。但是可以进行移动构造和移动赋值操作。
3、保存指向某个对象的指针，当它本身被删除释放的时候（比如，离开了某个作用域），会使用给定的删除器释放它指向的对象。

使用unique_ptr，可以实现以下功能，包括：
1、为动态申请的内存提供异常安全。
2、将动态申请内存的所有权传递给某个函数。
3、从某个函数返回动态申请内存的所有权。
4、在容器中保存指针。
5、所有auto_ptr应该具有的（但无法在C++ 03中实现的）功能。

下面是一段传统的会产生不安全异常的代码：

X* f(){    X* p = new X;    // 做一些事情，可能会抛出某个异常return p;}

解决方法是，使用unique_ptr来管理这个对象的所有权，由其进行这个对象的释放工作。

X* f(){unique_ptr<X> p(new X);// 做一些事情，可能会抛出异常return p.release();}

如果程序执行过程中抛出了异常，unique_ptr就会释放它所指向的对象。但是，除非我们真的需要返回一个内建的指针，我们还可以返回一个unique_ptr。

unique_ptr<X> f(){unique_ptr<X> p(new X);// 做一些事情，可能会抛出异常return p;}

现在，我们可以这样使用函数f()：

void g(){unique_ptr<X> q = f();              // 使用移动构造函数（move constructor）q->DoSomething();                   // 使用qX x = *q;                                  // 复制指针q所指向的对象}    // 在函数退出的时候，q以及它所指向的对象都被删除释放

unique_ptr具有移动语义，所以我们可以使用函数f()返回的右值对q进行初始化，这样就简单地将所有权传递给了q。

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1. 智能指针概念

智能指针是基于RAII机制实现的类(模板)，具有指针的行为(重载了operator*与operator->操作符)，可以“智能”地销毁其所指对象。C++11中有unique_ptr、shared_ptr与weak_ptr等智能指针，可以对动态资源进行管理

2. unique_ptr概念

unique_ptr“唯一”拥有其所指对象，同一时刻只能有一个unique_ptr指向给定对象（通过禁止拷贝语义、只有移动语义来实现）。

unique_ptr指针本身的生命周期：从unique_ptr指针创建时开始，直到离开作用域。离开作用域时，若其指向对象，则将其所指对象销毁(默认使用delete操作符，用户可指定其他操作)。

unique_ptr指针与其所指对象的关系：在智能指针生命周期内，可以改变智能指针所指对象，如创建智能指针时通过构造函数指定、通过reset方法重新指定、通过release方法释放所有权、通过移动语义转移所有权。

3. unique_ptr的基本操作：

[cpp] view plaincopy

1. //智能指针的创建  
2. unique_ptr<int> u_i; //创建<span style="font-family:Arial,Helvetica,sans-serif">“</span><span style="font-family:Arial,Helvetica,sans-serif">空智能指针”</span>  
3. u_i.reset(new int(3)); //"绑定”动态对象  
4. unique_ptr<int> u_i2(new int(4));//创建时指定动态对象  
5. //所有权的变化  
6. int *p_i = u_i2.release(); //释放所有权  
7. unique_ptr<string> u_s(new string("abc"));  
8. unique_ptr<string> u_s2 = std::move(u_s); //所有权转移(通过移动语义)，u_s所有权转移后，变成“空指针”  
9. u_s2=nullptr;//显式销毁所指对象，同时智能指针变为空指针。与u_s2.reset()等价  

4. unique_ptr的使用场景

(1) 动态资源的异常安全保证(利用其RAII特性)：

[cpp] view plaincopy

1. void foo()  
2. {//不安全的代码  
3.     X *px = new X;  
4.     // do something, exception may occurs  
5.     delete px; // may not go here  
6. }  

[cpp] view plaincopy

1. void foo()  
2. {//异常安全的代码。无论是否异常发生，只要px指针成功创建，其析构函数都会被调用，确保动态资源被释放  
3.     unique_ptr<X> px(new X);  
4.     // do something,  
5. }  

(2) 返回函数内创建的动态资源

[cpp] view plaincopy

1. unique_ptr<X> foo()  
2. {  
3.     unique_ptr<X> px(new X);  
4.     // do something  
5.     return px; //移动语义  
6. }  

(3) 可放在容器中(弥补了auto_ptr不能作为容器元素的缺点)

方式一：

[cpp] view plaincopy

1. vector<unique_ptr<string>> vs { new string{“Doug”}, new string{“Adams”} };  

方式二：

[cpp] view plaincopy

1. vector<unique_ptr<string>>v;  
2. unique_ptr<string> p1(new string("abc"));  
3. v.push_back(std::move(p1));//这里需要显式的移动语义，因为unique_ptr并无copy语义  

(4) 管理动态数组，因为unique_ptr有unique_ptr<X[]>重载版本，销毁动态对象时调用delete[]

[cpp] view plaincopy

1. unique_ptr<int[]> p (new int[3]{1,2,3});  
2. p[0] = 0;// 重载了operator[]  

5. 自定义资源删除操作(Deleter):

unique_ptr默认的资源删除操作是delete/delete[]，若需要，可以进行自定义：

[cpp] view plaincopy

1. void end_connection(connection *p) { disconnect(*p); } //资源清理函数  
2. unique_ptr<connection, decltype(end_connection)*> //资源清理器的“类型”  
3.         p(&c, end_connection);// 传入函数名，会自动转换为函数指针  

6 auto_ptr与unique_ptr

在C++11环境下，auto_ptr被看做“遗留的”，他们有如下区别：

auto_ptr有拷贝语义，拷贝后源对象变得无效；unique_ptr则无拷贝语义，但提供了移动语义

auto_ptr不可作为容器元素，unique_ptr可以作为容器元素

auto_ptr不可指向动态数组(尽管不会报错，但不会表现出正确行为)，unique_ptr可以指向动态数组

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我们知道auto_ptr通过复制构造或者通过=赋值后,原来的auto_ptr对象就报废了.所有权转移到新的对象中去了.而通过shared_ptr可以让多个智能指针对象同时拥有某一块内存的访问权.但假如我们不希望多个内存块被多个智能指针对象共享,同时又不会像auto_ptr那样不知不觉的就让原来的auto_ptr对象失效,可咋整呢?

这个时候就要使用unique_ptr了,顾名思义嘛,unique是唯一的意思.说明它跟auto_ptr有点类似,就是同时只能有一个智能指针对象指向某块内存.但它还有些其他特性.

1.无法进行复制构造与赋值操作.

比如auto_ptr<int> ap(new int(88 );

      auto_ptr<int> one (ap) ; // ok

      auto_ptr<int> two = one; //ok

但unique_ptr不支持上述操作

  unique_ptr<int> ap(new int(88 );

  unique_ptr<int> one (ap) ; // 会出错

  unique_ptr<int> two = one; //会出错

 

2.可以进行移动构造和移动赋值操作

就是像上面这样一般意义上的复制构造和赋值或出错.但在函数中作为返回值却可以用.

unique_ptr<int> GetVal( ){

unique_ptr<int> up(new int(88 );

return up;

}

 

unique_ptr<int> uPtr = GetVal();   //ok

 

实际上上面的的操作有点类似于如下操作

unique_ptr<int> up(new int(88 );

unique_ptr<int> uPtr2 = std:move( up) ; //这里是显式的所有权转移. 把up所指的内存转给uPtr2了,而up不再拥有该内存.另外注意如果你使用vs2008是没有std:move这函数的.

//vs2010开始才有,是c++ 11标准出现的内容.

 

 

3.可做为容器元素

我们知道auto_ptr不可做为容器元素.而unique_ptr也同样不能直接做为容器元素,但可以通过一点间接的手段

例如:

unique_ptr<int> sp(new int(88) );

vector<unique_ptr<int> > vec;

vec.push_back(std::move(sp));

//vec.push_back( sp ); 这样不行,会报错的.

//cout<<*sp<<endl;但这个也同样出错,说明sp添加到容器中之后,它自身报废了.

 

总结:

从上面的例子可以看出,unique_ptr和auto_ptr真的非常类似.其实你可以这样简单的理解,auto_ptr是可以说你随便赋值,但赋值完了之后原来的对象就不知不觉的报废.搞得你莫名其妙.而unique就干脆不让你可以随便去复制,赋值.如果实在想传个值就哪里,显式的说明内存转移std:move一下.然后这样传值完了之后,之前的对象也同样报废了.只不过整个move你让明显的知道这样操作后会导致之前的unique_ptr对象失效.

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unique_ptr是一个独享所有权的智能指针，它提供了一种严格语义上的所有权，包括：

    1、拥有它所指向的对象。

    2、无法进行复制构造，也无法进行复制赋值操作。也就是说，我们无法得到指向同一个对象的两个unique_ptr。但是可以进行移动构造和移动赋值操作。

    3、保存指向某个对象的指针，当它本身被删除释放的时候（比如，离开了某个作用域），会使用给定的删除器释放它指向的对象。

    使用unique_ptr，可以实现以下功能，包括：

    1、为动态申请的内存提供异常安全。

    2、将动态申请内存的所有权传递给某个函数。

    3、从某个函数返回动态申请内存的所有权。

    4、在容器中保存指针。

    5、所有auto_ptr应该具有的（但无法在C++ 03中实现的）功能。

    下面是一段传统的会产生不安全异常的代码：

1 X* f()2 {3     X* p = new X;4     // 做一些事情，可能会抛出某个异常5    return p;6 }

    解决方法是，使用unique_ptr来管理这个对象的所有权，由其进行这个对象的释放工作。

1 X* f()2 {3      unique_ptr<X> p(new X);4      // 做一些事情，可能会抛出异常5     return p.release();6 }

    如果程序执行过程中抛出了异常，unique_ptr就会释放它所指向的对象。但是，除非我们真的需要返回一个内建的指针，我们还可以返回一个unique_ptr。

1 unique_ptr<X> f()2 {3       unique_ptr<X> p(new X);4       // 做一些事情，可能会抛出异常5     return p;6 }

    现在，我们可以这样使用函数f()：

1 void g()2 {3        unique_ptr<X> q = f();              // 使用移动构造函数（move constructor）4      q->DoSomething();                   // 使用q5        X x = *q;                                  // 复制指针q所指向的对象6 }    // 在函数退出的时候，q以及它所指向的对象都被删除释放

    unique_ptr具有移动语义，所以我们可以使用函数f()返回的右值对q进行初始化，这样就简单地将所有权传递给了q。