C++14 智能指针unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr

内存控制这一大毒瘤，几乎一直伴随着C/C++工程师。随着计算机技术的发展，在boost准标准库的推动下，C++11终于将unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr这几类智能指针纳入C++中。当然，在这之前还有一种auto_ptr智能指针，不过由于它的设计存在较大问题（比如：auto_ptr与STL不兼容），现阶段已经很少能看到它的出现了。

感谢@毛毛是我的小可爱 在评论中指出“ 标题说的还是C++14,文章开头就跑出C++11。请严谨一点！”。
这里说明一下，（1）上文中提到C++11出现了智能指针unique_ptr、shared_ptr、weak_ptr，（2）但是文中的代码示例使用了make_unique()和std::move()，这些为C++14中的内容。

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智能指针实质是一个对象，行为表现的却像一个指针。

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shared_ptr和unique_ptr之间的区别在于：shared_ptr是引用计数的智能指针，而unique_ptr不是。这意味着，可以有多个shared_ptr实例指向同一块动态分配的内存，当最后一个shared_ptr离开作用域时，才会释放这块内存。shared_ptr也是线程安全的。 另一方面，unique_ptr意味着所有权。单个unique_ptr离开作用域时，会立即释放底层内存。

2018-2-28更新 ：感谢@奔跑的哇牛 在留言中说到shared_ptr本身不是线程安全的。是的，shared_ptr本身不是线程安全的。陈硕的书中也明确提到了，shared_ptr的计数功能是原子的，但对象的读写不是原子的。c++标准也只是保证的是weak_ptr的lock()指针提升是线程安全的。所以，要实现线程安全，可能需要weak_ptr与shared_ptr配合使用，详见陈硕的多线程书籍。

也可以参考：http://www.pandademo.com/2017/08/thread-safety-of-shared_ptr-and-weak_ptr/

默认的智能指针应该是unique_ptr。只有需要共享资源时，才使用shared_ptr。

这两个智能指针都需要包含头文件。

在开始本文之前，首先给出一个类。因为下文中，为了演示智能指针的使用方式，在较多时候都有用到这个类demo。

#include 
#include  //std::move()

class demo {
public:
	demo() : uptr(std::make_unique<int[]>(10)){
		printf("demo\n");
		for (int i = 0; i < 10; ++i){
			uptr[i] = i;
		}
	}
	~demo(){
		printf("~demo\n");
	}
	void show(){
		printf("%d\n", uptr[9]);
	}
private:
	std::unique_ptr<int[]> uptr;
};

unique_ptr

unique_ptr是唯一的，适用于存储动态分配的旧C风格的数组。auto关键字会自动识别指针类型，当与make_unique配合使用时，即表示unique_ptr智能指针。

void my_unique_ptr(){
	auto uptr = std::make_unique<int[]>(10);
	uptr[5] = 17;
	printf("%d\n", uptr[5]);
}

这里应该总是使用auto/make_unique写法。除非编译器不支持的情况下，可以这样写，

std::unique_ptr<int[]> uptr(new int[10]);
//std::unique_ptr uptr = new int[10];//error

注意，上文中，被注释的那种写法是不被接受的。再整理一下，unique_ptr可以有以下使用方式，

void my_unique_ptr2(){
	auto uptr = std::make_unique<demo>();
	uptr->show();
	std::unique_ptr<demo> uptr2(new demo());///等效写法
	uptr2->show();
}

另外，需要说明的是，unique_ptr无法使用拷贝构造函数的，上文已经提到过了，这里再给出一个示例，

void my_unique_ptr3(){
	auto uptr = std::make_unique<int>(42);
	printf("%d\n", *uptr);//42
	///std::unique_ptr uptr1 = uptr; ///unique_ptr无拷贝构造函数
	///std::unique_ptr uptr1(uptr);  ///等效写法
	std::unique_ptr<int> uptr2 = std::move(uptr);
	///printf("%d\n",*uptr); ///error 所有权已交给uptr2
	printf("%d\n", *uptr2);
}

既然，无法使用拷贝构造函数，那么就无法直接使用赋值“=”来转移指针所有权。但是C++14设计者给开了另外一扇门：std::move。它被包含在头文件中。

shared_ptr

shared_ptr用法与unique_ptr类似。如果编译器支持，你应该总是使用auto/make_shared的写法，它比直接创建shared_ptr更高效。

void my_shared_ptr(){
	///auto sptr = std::make_shared(10); //error
	///sptr[6] = 20;
	auto sptr = std::make_shared<demo>();
	sptr->show();
}

上文中已经提到了，智能指针家族中，unique_ptr是唯一可以适用于旧C风格数组的指针，shared_ptr等其他智能指针不能。

shared_ptr除了用于管理纯粹的内存之外还可以用于其他的目的，比如管理FILE、SOCKET等，极大的增加了编程的方便性。

void auto_run_fun(FILE* f){
	printf("auto running.\n");
	fclose(f);
}

void my_shared_ptr2(){
	FILE* f = fopen("data.txt","w");
	std::shared_ptr<FILE> file_ptr(f, auto_run_fun);
}

由于shared_ptr是引用计数的，这里需要极为注意的一点是：糟糕！只调用一次构造函数，却调用了两次析构函数。

正确的使用方式应该是使用make_shared和拷贝构造函数建立副本。范例如下，

void my_shared_ptr3(){
	/*demo* d = new demo();
	std::shared_ptr sptr1(d);
	std::shared_ptr sptr2(d);//~demo() error
	*/
	auto sptr3 = std::make_shared<demo>();
	std::shared_ptr<demo> sptr4(sptr3); ///shared_ptr拷贝构造函数
}

shared_ptr引用计数，完全可以返回一个子函数的指针。 在以往的认知中，子函数中的栈空间上的内存是无法返回的，而子函数中堆空间上的内存是可以返回的（同时，还必须注意手动释放它，否则必然内存泄漏）。

std::shared_ptr<demo> my_shared_ptr4(){
	auto sptr = std::make_shared<demo>();
	return sptr;
}

那么，对于以上代码的返回值，下文中这样子使用它，也是非常正确的。

my_shared_ptr4()->show();

智能指针，完全继承了JAVA和C#中内存托管的风格，而且智能指针在很多情况下完全可以具体推算出：它会在何时被释放。

关于shared_ptr更多使用方式，推荐《C++14 N叉树使用shared_ptr智能指针》 一文。

weak_ptr

weak_ptr是shared_ptr的黄金伙伴。从上文知道shared_ptr与shared_ptr之间，每拷贝一次，引用计数就会+1，而如果使用weak_ptr则不会出现这个现象。

如果将一个shared_ptr指针赋值给weak_ptr指针，对shared_ptr指针本身不会造成任何影响。对于weak_ptr指针来说，却可以通过一些方法来探测被赋值过来的shared_ptr指针的有效性，同时weak_ptr指针也可以间接操纵shared_ptr指针。以下主要介绍两个方法：

• lock() ，weak_ptr指针调用lock()方法会获得一个返回值：shared_ptr。而这个返回值就是被赋值过来的shared_ptr指针，那么指针都获得了，当然可以操纵它。
• expired() ，该方法主要用来探测shared_ptr指针的有效性。shared_ptr一旦被释放，指针就会被置为nullptr。

///weak_ptr -> shared_ptr
void my_weak_ptr(){
	std::weak_ptr<demo> wptr;
	{
		auto sptr = std::make_shared<demo>();
		wptr = sptr;
		auto sptr2 = wptr.lock();
		if (!wptr.expired()){///等价于sptr2 != nullptr
			printf("shared_ptr ok\n");
			sptr2->show();
		}
	}
	if (wptr.expired()){
		printf("shared_ptr deleted\n");
	}
}

以上代码中，之所以要加个大括号{}在文中，主要是：为了利用变量的作用域原理。 让shared_ptr指针离开{}作用域后，立即被释放。

©稻壳(Doc.J Tsing)
2018-12-27（修改） 北京 海淀

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参考文献：

Marc, Gregoire. C++高级编程（第3版）[M]. 北京:清华大学出版社, 2015. 630-636