【C++学习笔记】详解C++中的三种智能指针
一、简介
- 由于 C++ 语言没有垃圾回收机制，程序员每次 new出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete，有可能就会造成内存泄漏，程序崩溃等严重的后果。用智能指针便可以有效缓解这类问题，本文主要讲解常见的智能指针的用法。包括：std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::weak_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。
2、std::auto_ptr
- std::auto_ptr 属于 STL，当然在 namespace std 中，包含头文件 #include 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再来看另外一段代码：
#include 最终上面两段代码都会导致崩溃，跟进 std::auto_ptr 的源码后，我们看到，第一段代码罪魁祸首是“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。第二段代码为什么会崩溃呢？原因是因为，虽然有两个指针，但由于ap2是根据ap1拷贝构造出来的，所以他们只有一块内存空间，并且这块内存空间的所有者为ap2，ap1只有使用权，没有销毁权(即调用ap1的析构函数并不会释放空间)，在上面的代码中，出了ap2的作用域后，就会调用ap2的析构函数释放空间，但是由于ap1并不知道空间已经释放，所有此时ap1就为“野指针”，再次访问就会造成程序崩溃。
所以，使用 std::auto_ptr 时，绝对不能使用“operator=”操作符及，拷贝构造。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 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 my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
Simple* temp_memory = my_memory.release();
delete temp_memory;
}
} 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=”以及拷贝构造。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（因为出了函数作用域，空间就会销毁，实参就成为野指针）。
（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，（在STL中叫unique_ptr，原理相同）定义在 namespace boost 中，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。
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、shared_ptr
- shared_ptr 属于 boost 库（STL中也叫做shared_ptr），定义在 namespace boost 中，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。
void TestShared(shared_ptr<int> spt1)
{
cout << "usecount:" << spt1.use_count() << endl;
*spt1 = 10;
cout << "*spt1 = " << *spt1 << endl;
shared_ptr<int> spt2(spt1);
*spt2 = 20;
cout << "*spt2 = " << *spt2 << endl;
cout << "usecount:" << spt2.use_count() << endl;
shared_ptr<int> spt3 = spt1;
*spt3 = 30;
cout << "*spt3 = " << *spt3 << endl;
cout << "usecount:" << spt3.use_count() << endl;
return;
}int main()
{
shared_ptr<int> spt1(new int);
cout << "usecount:" << spt1.use_count() << endl;
TestShared(spt1);
cout << "usecount:" << spt1.use_count() << endl;
return 0;
}- 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，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。
循环引用：
但是，如果仅仅只是这样，我们想想有可能还会出现下面的问题！
假设，有这样一个场景，p1，p2，分别指向双向链表的两个节点，在节点内，还有两个指针，pNext、pPre，这些指针的类型全都是shared_ptr管理，那么同一个节点，就会有两个shared_ptr管理，也就是说，p1和p2的引用计数都为2，假设函数Test（）结束时，p1对象和p2对象就会销毁，但是由于此时还有p2指向的节点中的pPre指针指向p1指向的节点，即引用计数为1，所以并不能销毁，同理，p2指向的的节点也不能销毁，这样就会造成内存泄漏，那么，这样的问题该怎么解决呢？
struct ListNode
{
ListNode()
: pNext(NULL)
, pPre(NULL)
{}
shared_ptr pNext;
shared_ptr pPre;
int data;
};
void Test()
{
shared_ptr p1(new ListNode);
shared_ptr p2(new ListNode);
p1->pNext = p2;
p2->pPre = p1;
cout << "p1 usecount: " <cout << "p2 usecount: " <return;
}
int main()
{
Test();
return 0;
} 这里就引出了另一个指针weak_ptr，weak_ptr不对shared_ptr引用计数进行影响的“弱”指针，可以和shared_ptr搭配使用以解决资源的循环引用问题。当shared_ptr因引用计数为0而被释放时，相关的weak_ptr自动标记为无效。weak_ptr不能单独管理空间。