C++11之智能指针(上)

缘起
        对于C/C++程序员而言，资源管理是从来都不可回避的一个话题，资源泄露也成了程序员挥之不去的噩梦，稍不小心就掉到坑里去了，为了解决这些问题，托管语言引入了GC机制，由于C++缺乏语言层面的GC机制，资源管理一直很棘手，也是被很多人诟病。为了管理资源，C++采用RAII手法(资源获取即初始化,Resource Acquisition Is Initialization），利用局部对象管理资源，在使用资源的类的构造函数中申请资源，然后使用，最后在析构函数中释放资源。如果对象是用声明的方式在栈上创建的局部对象，那么RAII机制会正常工作，当离开作用域时对象会自动销毁从而调用析构函数释放资源。
     对于动态内存的管理，C++通过类来封装和管理内存资源，就是我们所谓的智能指针，用于对象的生命周期管理，智能指针的用法和内建指针没有太大的区别，最重要的是它的效率并不弱于内建指针。C++98 只提供了唯一的严格的对象的所有权语义的智能指针auto_ptr，在C++ 11中被废弃了。C++11  引入了两个指针类： shared_ptr 和 unique_ptr。 shared_ptr只是单纯的引用计数指针，unique_ptr 是用来取代auto_ptr。 unique_ptr 提供 auto_ptr 大部份特性，唯一的例外是 auto_ptr 的不安全、隐性的左值搬移，自从auto_ptr存在以来，一直就争议不断，就是auto_ptr的破坏性复制语义，将一个auto_ptr复制给另一个之后，原来的auto_ptr就不指向任何东西，被重置为未绑定状态，出现所有权转移，因此，不能将auto_ptr对象存储在标准容器中，标准库的容器类要求在复制或赋值之后两个对象相等，auto_ptr并不满足这一要求。不像 auto_ptr，unique_ptr 可以存放在 C++11提出的那些能察觉搬移动作的容器之中。两者都兼容其它标准库组件，因此你可以在标准容器内安全保存这些智能指针，并使用标准算法操作它们。对于非内存资源的管理，如资源句柄，控制锁等等，在后面的文章会讲到。

    关于智能指针的缘起，并不是学院派的产物，而是实际编码开发的结果，由于异常安全的问题愈来愈突出，严重影响到标准库的设计，智能指针才进入了C++委员会的视野，最早提交的解决方案是两个智能指针类（资源独占的auto_ptr和进行引用计数的counted_ptr）和GC机制，最后的结果是counted_ptr和GC双双落马，唯一幸存的auto_ptr，语义由独占所有权改为转移所有权。可以参见《智能指针的标准之争：Boost vs. Loki》和《再论智能指针的标准之争：Boost vs. Loki》。

分析 

C/C++ 程序员需要反复面对这样的问题：在程序中处理内存的分配和释放。其困难众所周知：异常、函数中的多条返回路径，以及被调用者分配的、必须由调用者释放的内存——在面对这些情况时，要确保程序不泄漏资源可能会极其困难。这在多线程程序中尤其重要：如果你没有严格地跟踪动态内存的所有权，某个线程仍然在使用的内存可能会被其他线程删除，从而带来灾难性的后果。
智能指针的最初动机是使得下面的代码更安全

void foo()
{
    Type* ptr = new Type[10];
    // 对p指向的内存块进行赋值
    do_something();
    delete[] ptr;
}

在c++11中，引入了两个智能指针shared_ptr和 unique_ptr，在c++中，存在两种对应的模型：值模型和引用模型，提供给对象的值语义和对象语义，值语义表示对象的拷贝会得到一个不同的新副本 ，与原对象是独立的，对象语义下得拷贝是禁止的，只能通过引用和指针来操作，所指向的对象是共享的。值语义对象生命期管理容易，对象语义对象生命期却非常难以处理，智能指针实际上是将对象语义转化为值语义，利用局部对象（智能指针）的确定性析构，包括废弃的auto_ptr，c++11中加入的 shared_ptr,  weak_ptr和unique_ptr。


unique_ptr

unique_ptr是拥有唯一的对象语义的智能指针，同一对象只能被一个unique_ptr来拥有，禁止进行拷贝构造和赋值构造操作，但是，依赖于C++11中的右值引用和move语义，它可以转让所有权给另一个unique_ptr，C++11提供的move语义可以将资源unique_ptr管理的对象转移到另一个对象，但是并不进行资源的拷贝操作，只是进行资源所有权的转移，这样能够减少不必要的临时对象的创建、拷贝以及销毁，效率得到了大大的提升，当unique_ptr指针对象离开其作用域时，生命期结束，自动使用内部给定的删除器（deleter）delete所指向的对象。我们知道，类对象的拷贝我们需要定义copy constructor和copy assignment，同样，要实现move语义，需要定义move constructor和move assignment。对于右值的拷贝和赋值会调用move constructor和move assignment。如果没有定义move constructor和move assignment，那么就遵循现有的机制， copy constructor和copy assignment 会被调用。

constexpr unique_ptr() noexcept;//默认构造
constexpr unique_ptr (nullptr_t) noexcept : unique_ptr() {}//从null pointer构造
unique_ptr& operator= (nullptr_t) noexcept;

explicit unique_ptr (pointer p) noexcept;//从pointer构造

unique_ptr (unique_ptr&& x) noexcept;//move构造
unique_ptr& operator= (unique_ptr&& x) noexcept;//move赋值
template 
  unique_ptr (auto_ptr&& x) noexcept;//从auto_ptr指针move构造


unique_ptr (const unique_ptr&) = delete;//禁用拷贝构造函数
unique_ptr& operator= (const unique_ptr&) = delete;//禁用赋值操作

unique_ptr常见的用途有下面几点:
<1>为那些控制动态生命周期对象的类和函数提供异常安全，保证正常退出和异常退出时这些动态内存正常释放。

<2>将动态对象的唯一控制权转移给函数

<3>从函数获取动态对象唯一控制权

<4>可以做move-aware的容器的元素，如std::vector.如，用来装有多态性的动态对象指针。

如果你想把对象所有权转移给另一个unique_ptr，需要使用move语义。在所有权转移后，交出所有权的智能指针将为空，get()函数将返回nullptr。

void test_unique_ptr()
{
    std::unique_ptr up1 (new int);
    std::unique_ptr up2 (std::move(up1));//所有权转移,up2拥有所有权
    up1 = std::move(up2);//所有权转移回up1
//    std::unique_ptr up4 (std::auto_ptr(new int));
}

unique_ptr对于boost库中的scoped_ptr智能指针和C++98的auto_ptr做了很多的改进，auto_ptr在之前讲过，具有破坏性复制语义，支持拷贝构造和赋值构造操作，也可作为函数的返回值，scoped_ptr是独占所有权语义，对象语义，不能作为函数的返回值，unique_ptr也不支持拷贝构造和赋值构造，但是move语义的控制，可以很好的实现所有权的转移，可以作为函数的返回值

template
std::unique_ptr getMemory(T value)
{
    std::unique_ptr uniquePtr(new T(value));
    return uniquePtr;
}

void test_unique_ptr()
{
    std::unique_ptr testUniqueptr = getMemory(12);
}

unique_ptr作为函数参数和函数返回值，实现所有权的转移

template
std::unique_ptr& foo1(std::unique_ptr& param)
{
    return param;
}
template
std::unique_ptr foo2(std::unique_ptr param)
{
    return std::move(param);
}
template
std::unique_ptr&& foo3(std::unique_ptr&& param)
{
    return std::move(param);
}

int main()
{
    std::unique_ptr tempUniquePtr;
    std::unique_ptr uniquePtr1(new int(20));
    tempUniquePtr = std::move(foo1(uniquePtr1));

    std::unique_ptr uniquePtr2(new int(100));
    tempUniquePtr = foo2(std::move(uniquePtr2));
    foo2(std::unique_ptr(new int(4))); 

    std::unique_ptr uniquePtr3(new int(5));
    tempUniquePtr = foo3(std::move(uniquePtr3));

    return 0;
}

参考

http://zh.cppreference.com/w/cpp/memory/unique_ptr
http://www.cplusplus.com/reference/memory/unique_ptr/
http://zh.wikipedia.org/wiki/Memory_(C%2B%2B%E6%A0%87%E5%87%86%E5%BA%93)
http://zjulbj.github.io/stl/2013/08/20/c++%E6%99%BA%E8%83%BD%E6%8C%87%E9%92%88%E4%BB%8B%E7%BB%8D(%E4%BA%8C)%EF%BC%9Aunique_ptr/