C++ 智能指针详解

转载：http://blog.csdn.net/xt_xiaotian/article/details/5714477

http://blog.jobbole.com/56316/

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<memory> 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<Simple> 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<Simple> my_memory(new Simple(1));

  if (my_memory.get()) {

    std::auto_ptr<Simple> 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<Simple> 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<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();  // 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<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样，可以方便的管理单个堆内存对象，特别的是，boost::scoped_ptr 独享所有权，避免了 std::auto_ptr恼人的几个问题。

我们还是从代码开始分析：

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();           // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数

    std::auto_ptr<Simple> my_memory2;

    my_memory2 = my_memory;        // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=，不会导致所有权转移

  }

}

首先，我们可以看到，boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有release() 函数，不会导致先前的内存泄露问题。其次，由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的，所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句，可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。

    由于 boost::scoped_ptr 独享所有权，当我们真真需要复制智能指针时，需求便满足不了了，如此我们再引入一个智能指针，专门用于处理复制，参数传递的情况，这便是如下的boost::shared_ptr。

 

4、boost::shared_ptr

boost::shared_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权，不允许赋值、拷贝，boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的，由于要共享所有权，其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。

我们还是从代码开始分析：

void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 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();// 编译 error: 同样，shared_ptr 也没有 release 函数

}

执行结果为：

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。并且没有 release() 函数。关键的一点，boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数，由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ，此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果，我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中，引用计数为 1，传递参数后（此处进行了一次复制），在函数TestSharedPtr 内部，引用计数为2，在 TestSharedPtr 返回后，引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候，boost::shared_ptr 是再好不过的了。

在此，我们已经看完单个对象的智能指针管理，关于智能指针管理数组，我们接下来讲到。

 

5、boost::scoped_array

boost::scoped_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

    boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样，也是独享所有权的。

我们还是从代码开始分析：

void TestScopedArray() {

      boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化

      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";            // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*

        my_memory[0].release();                             // 同上，没有release 函数

        boost::scoped_array<Simple> my_memory2;

        my_memory2 = my_memory;                             // 编译error，同上，没有重载 operator=

      }

    }

boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多，不支持复制，并且初始化的时候需要使用动态数组。另外，boost::scoped_array 没有重载“operator*”，其实这并无大碍，一般情况下，我们使用 get() 函数更明确些。

    下面肯定应该讲 boost::shared_array 了，一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。

 

6、boost::shared_array

boost::shared_array 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

    由于 boost::scoped_array 独享所有权，显然在很多情况下（参数传递、对象赋值等）不满足需求，由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样，内部使用了引用计数。

我们还是从代码开始分析：

void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) {  // 注意：无需使用 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";  // 编译 error，scoped_ptr 没有重载 operator*

  }

  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

  TestSharedArray(my_memory);

  std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;

}

执行结果为：

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 一样，使用了引用计数，可以复制，通过参数来传递。

 

至此，我们讲过的智能指针有std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了，90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针，它们肯定有用，但有什么用处呢，一起看看吧。

 

7、boost::weak_ptr

boost::weak_ptr 属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

在讲 boost::weak_ptr 之前，让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了，这儿还多出一个 boost::weak_ptr，是否还有某些情况我们没纳入考虑呢？

回答：有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候，我们只关心能否使用对象，并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的观察者（Observer）对象，观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用，而不改变其引用计数，当被观察的 boost::shared_ptr 失效后，相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。

我们还是从代码开始分析：

    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;

}

    执行结果为：

Simple: 1

TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1

TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1

~Simple: 1

    我们看到，尽管被赋值了，内部的引用计数并没有什么变化，当然，读者也可以试试传递参数等其他情况。

    现在要说的问题是，boost::weak_ptr 到底有什么作用呢？从上面那个例子看来，似乎没有任何作用，其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中，可以在基类（此处的基类并非抽象基类，而是指继承于抽象基类的虚基类）中定义一个 boost::weak_ptr，用于指向子类的boost::shared_ptr，这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了，而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数，用以降低复杂度，更好的管理对象。

 

    8、boost::intrusive_ptr

boost::intrusive_ptr属于 boost 库，定义在 namespace boost 中，包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。

讲完如上 6 种智能指针后，对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了，现在有多了一种boost::intrusive_ptr，这是一种插入式的智能指针，内部不含有引用计数，需要程序员自己加入引用计数，不然编译不过（⊙﹏⊙b汗）。个人感觉这个智能指针没太大用处，至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码哦J。

 

 

三、总结

如上讲了这么多智能指针，有必要对这些智能指针做个总结：

1、在可以使用 boost 库的场合下，拒绝使用 std::auto_ptr，因为其不仅不符合 C++ 编程思想，而且极容易出错[2]。

2、在确定对象无需共享的情况下，使用 boost::scoped_ptr（当然动态数组使用boost::scoped_array）。

3、在对象需要共享的情况下，使用 boost::shared_ptr（当然动态数组使用boost::shared_array）。

4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象，而又不想改变其引用计数的情况下，使用boost::weak_ptr，一般常用于软件框架设计中。

5、最后一点，也是要求最苛刻一点：在你的代码中，不要出现 delete 关键字（或 C 语言的free 函数），因为可以用智能指针去管理。

 

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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。

在C++中，我们通过new（在动态内存中为对象分配空间并初始化对象）和delete（销毁该对象，并释放内存）直接分配和释放动态内存。

如下代码：

C++

1

int *pi = new int;//pi 指向一个未初始化的int

有些人有这样的疑问，指针一定要new吗？其实指针和new没有什么关系。这里的new在动态内存里为对象分配了内存空间，并返回了一个指向该对象的指针。new是申请堆空间，不是在栈上分配内存，指针只要指向有效的内存空间就可以。比如：

C++

1

2

3

inti;

int*p=&i;

//p可以直接使用了

new直接初始化对

象：

C++

1

2

int *pi = new int(128);//pi指向值为128的对象

string *ps = new string("christian");//*ps 指向“christian”的字符串

new分配const对象必须进行初始化，并且返回的是一个指向const对象的指针：

C++

1

constint*p=newconstint(1024);//分配并初始化一个const int；

当然new申请内存分配的时候也不是都会成功的，一旦一个程序用光了他的所有可用内存（虽然这种情况一般很少发生），new表达式就会失败。这时候会抛出bad_alloc异常。所以我们需要通过delete来释放占用的内存。在这里注意delete并不是要删除指针，而是释放指针所指的内存。

C++

1

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6

7

int i;

int *pi = &i;

string str = "dwarves";

double *pd = new double(33);

delete str; // 错误：str不是一个指针

delete pi;  // 错误：pi指向一个局部变量

delete pd;  // 正确

使用new和delete来管理动态内存常出的一些错误：

1.忘记delete，即导致了“内存泄漏”，

2.野指针。在对象已经被释放掉之后，（这里注意，此时的指针成为了悬垂指针，即指向曾经存在的对象，但该对象已经不再存在。结果未定义，而且难以检测。）这时候我们再次使用，会产生使用非法内存的指针。

不过如果我们需要保留指针，可以在delete以后将nullptr赋予指针，这样指针就不指向任何对象了，如下代码：

C++

1

2

3

4

autop(newauto42);

autoq=p;

deletep;

p=nullptr;

 

题外话：在测试这个问题的时候，我输出了下q的值发现还是42，并且没有报错，后来在delete p之后，我又给*p = 19;这个时候 p ,q的值在输出的时候都是19，也没有报错。这个代码其实根本就是错误的了，因为p,q已经没有有效的内存空间了。这里是释放了内存，但指针的值不变，指向的内存不会清0，指向的这片内存区域是待分配的，如果没有被其他数据覆盖的话，你就能幸运得输出这主要原因是你分配的内存小，没有继续分配，被占用的概率小所致。我用的xcode，换到VS下就正常报错了，是因为VS为了从编译器的角度上解决缓冲区溢出等问题，加上的这种功能，C++标准里面没有这么要求，所有xcode和gcc是不会检查的。所以在这里 建议大家写纯C++代码的时候用vs。

3.重复delete，就会使自由空间遭到破坏如：

C++

1

2

3

string *ps1 = new string ("one"),*ps2 = ps1;

delete ps1;

delete ps2;//ps2的内存已经被释放了

虽然显示的管理内存在性能上有一定的优势，但是随着多线程程序的出现和广泛使用，内存管理不佳的的情况变得更严重。所以C++标准库中的智能指针很好的解决了这些问题。

auto_ptr以对象的方式管理堆分配的内存，并在适当的时间（比如析构），释放内存。我们只需要将new操作返回的指针作为auto_ptr的初始值，而不需要调用delete：

C++

1

auto_ptr(newint);

但是auto_ptr在拷贝时会返回一个左值并且不能调用delete[];所以在C++11中改用shared_ptr(允许多个指针指向一个对象),unique_ptr（“独占”所指向的对象）还有weak_ptr它是一种不控制所指对象生存期的智能指针，指向shared_ptr所管理的对像，在memory头文件中。

C++

1

shared_ptr

如下代码：

C++

1

shared_ptr<int>pi;//指向int

当然我们也可以shared_ptr和new来结合使用，但是必须使用直接初始化的形式来初始化一个智能指针，

C++

1

2

shared_ptr<int> p1 = new int(1024);//error：必须使用直接初始化的形式

shared_ptr<int> p2(new int(1024));

但是最好不要混合使用普通指针和智能指针，最安全的分配和使用动态内存的方法是调用make_shared的标准库函数。在使用它的时候，必须指定想要创建的对象类型。

C++

1

2

shared_ptr<int>pi=make_shared<int>(1);//指向一个值为1的int的shared_ptr

shared_ptr<string>ps= make_shared<string>(10,'a');//ps为指向“aaaaaaaaaa”的string

如果我们不传递任何参数，对象会进行值初始化

C++

1

shared_ptr<int>pi = make_shared<int>();//初始化默认值为0；

shared_ptr 实现了引用计数型的智能指针，当进行拷贝的时候，计数器都会递增。而对一个对象进行赋值时，赋值操作符减少左操作数所指对象的引用计数（减1，如果引用计数为减至0，则删除对象），并增加右操作数所指对象的引用计数（加1），如下代码：

C++

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3

4

autop=make_shared<int>(13);//p 指向的对象只有p一个引用者

autoq(p);//此时对象有两个引用者

autor= make_shared<int>(10);

r=q;

此时r的引用技术为0，r原指对象被自动释放。q的引用计数增加。

weak_ptr的使用和析构都不会改变shared_ptr的引用计数。weak_ptr可以使用一个非常重要的成员函数lock()从被观测的shared_ptr获得一个可用的shared_ptr对象， 从而操作资源。但当expired()==true的时候，lock()函数将返回一个存储空指针的shared_ptr.如下：

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#include &lt;boost/smart_ptr.hpp&gt;

#include &lt;boost/make_shared.hpp&gt;

using namespace boost;

using namespace std;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

 shared_ptr&lt;int&gt; sp(new int(10));

 assert(sp.use_count() == 1);

 weak_ptr&lt;int&gt; wp(sp); //从shared_ptr创建weak_ptr

 assert(wp.use_count() == 1);

 if (!wp.expired())//判断weak_ptr观察的对象是否失效

 {

  shared_ptr&lt;int&gt; sp2 = wp.lock();//获得一个shared_ptr

  *sp2 = 100;

  assert(wp.use_count() == 2);

 }

 assert(wp.use_count() == 1);

 return 0;

}

当我们定义一个unique_ptr的时候，需要将其绑定到一个new返回的指针。

只能有一个uniqu_ptr指向对象，也就是说它不能被拷贝，也不支持赋值。但是我们可以通过move来移动

C++

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std::unique_ptr<int>p1(newint(5));

std::unique_ptr<int>p2=p1;// 编译会出错

std::unique_ptr<int>p3=std::move(p1);// 转移所有权, 现在那块内存归p3所有, p1成为无效的指针.

 

p3.reset();//释放内存.

p1.reset();//实际上什么都没做.