【C++11】 之 std::unique_ptr 详解

参考：

1. https://www.cnblogs.com/DswCnblog/p/5628195.html
2. https://www.jianshu.com/p/3abef7d9a5ee
3. https://blog.csdn.net/luoshabugui/article/details/86130728

std::unique_ptr 是 C++11 起引入的智能指针。为什么必须要在 C++11 起才有该特性，主要还是 C++11 增加了move语义，否则无法对对象的所有权进行传递。

1. unique_ptr 介绍

• unique_ptr 不共享它的指针。它无法复制到其他 unique_ptr，无法通过值传递到函数，也无法用于需要副本的任何标准模板库 (STL) 算法。只能移动unique_ptr。这意味着，内存资源所有权将转移到另一 unique_ptr，并且原始 unique_ptr 不再拥有此资源。我们建议你将对象限制为由一个所有者所有，因为多个所有权会使程序逻辑变得复杂。因此，当需要智能指针用于纯 C++ 对象时，可使用 unique_ptr，而当构造 unique_ptr 时，可使用make_unique 函数。
• std::unique_ptr 实现了独享所有权的语义。一个非空的 std::unique_ptr 总是拥有它所指向的资源。转移一个 std::unique_ptr 将会把所有权也从源指针转移给目标指针（源指针被置空）。拷贝一个 std::unique_ptr 将不被允许，因为如果你拷贝一个 std::unique_ptr ,那么拷贝结束后，这两个 std::unique_ptr 都会指向相同的资源，它们都认为自己拥有这块资源（所以都会企图释放）。因此 std::unique_ptr 是一个仅能移动（move_only）的类型。当指针析构时，它所拥有的资源也被销毁。默认情况下，资源的析构是伴随着调用 std::unique_ptr 内部的原始指针的 delete 操作的。
• 下图演示了两个 unique_ptr 实例之间的所有权转换：
  

2. 创建unique_ptr

• unique_ptr 不像 shared_ptr 一样拥有标准库函数 make_shared 来创建一个 shared_ptr 实例。要想创建一个 unique_ptr，我们需要将一个new 操作符返回的指针传递给 unique_ptr 的构造函数。
• std::make_unique 是 C++14 才有的特性。

// 示例：
int main()
{
    // 创建一个unique_ptr实例
    unique_ptr<int> pInt(new int(5));
    cout << *pInt;
}

3. 无法进行复制构造和赋值操作

• unique_ptr 没有copy构造函数，不支持普通的拷贝和赋值操作。

// 示例：
int main() 
{
    // 创建一个unique_ptr实例
    unique_ptr<int> pInt(new int(5));
    unique_ptr<int> pInt2(pInt);    // 报错
    unique_ptr<int> pInt3 = pInt;   // 报错
}

4. 可以进行移动构造和移动赋值操作

• unique_ptr 虽然没有支持普通的拷贝和赋值操作，但却提供了一种移动机制来将指针的所有权从一个 unique_ptr 转移给另一个 unique_ptr 。如果需要转移所有权，可以使用std::move()函数。

// 示例：
int main() 
{
    unique_ptr<int> pInt(new int(5));
    unique_ptr<int> pInt2 = std::move(pInt);    // 转移所有权
    //cout << *pInt << endl; // 出错，pInt为空
    cout << *pInt2 << endl;
    unique_ptr<int> pInt3(std::move(pInt2));
}

5. 可以返回unique_ptr

• unique_ptr不支持拷贝操作，但却有一个例外：可以从函数中返回一个unique_ptr。

// 示例：
unique_ptr<int> clone(int p)
{
    unique_ptr<int> pInt(new int(p));
    return pInt;    // 返回unique_ptr
}

int main() {
    int p = 5;
    unique_ptr<int> ret = clone(p);
    cout << *ret << endl;
}

6. unique_ptr使用示例

{
    //创建一个指向int的空指针
    std::unique_ptr<int> fPtr1;
    std::unique_ptr<int> fPtr2(new int(4));
    auto fPtr3 = std::make_unique<int>();
    
 	//fPtr2释放指向对象的所有权，并且被置为nullptr
    std::cout << "fPtr2 release before:" << fPtr2.get() << std::endl;
    int *pF = fPtr2.release();
    std::cout << "fPtr2 release before:" << fPtr2.get() << " and pF value:" << *pF << std::endl;
    
	//所有权转移，转移后fPtr3变为空指针
    std::cout << "move before fPtr1 address:" << fPtr1.get() << " fPtr3 address:" << fPtr3.get() << std::endl;
    fPtr1 = std::move(fPtr3);
    std::cout << "move after fPtr1 address:" << fPtr1.get() << " fPtr3 address:" << fPtr3.get() << std::endl;

	std::cout << "move before fPtr1 address:" << fPtr1.get() << std::endl;
    fPtr1.reset();
    std::cout << "move after fPtr1 address:" << fPtr1.get() << std::endl;
}

# 输出：
　　fPtr2 release before:00EFB120
　　fPtr2 release before:00000000 and pF value:4
　　move before fPtr1 address:00000000 fPtr3 address:00EFEC60
　　move after fPtr1 address:00EFEC60 fPtr3 address:00000000
　　move before fPtr1 address:00EFEC60
　　move after fPtr1 address:00000000

7. unique_ptr使用场景

1. 为动态申请的资源提供异常安全保证：
   我们先来看看下面这一段代码：

void Func()
{
    int *p = new int(5);

    // ...（可能会抛出异常）

    delete p;
}

这是我们传统的写法：当我们动态申请内存后，有可能我们接下来的代码由于抛出异常或者提前退出（if语句）而没有执行delete操作。

解决的方法是使用 unique_ptr 来管理动态内存，只要 unique_ptr 指针创建成功，其析构函数都会被调用，确保动态资源被释放。

void Func()
{
    unique_ptr<int> p(new int(5));
}

2. 返回函数内动态申请资源的所有权：

unique_ptr<int> Func(int p)
{
    unique_ptr<int> pInt(new int(p));
    return pInt;    // 返回unique_ptr
}

int main() {
    int p = 5;
    unique_ptr<int> ret = Func(p);
    cout << *ret << endl;
    // 函数结束后，自动释放资源
}

3. 在容器中保存指针：

int main() 
{
    vector<unique_ptr<int>> vec;
    unique_ptr<int> p(new int(5));
    vec.push_back(std::move(p));    // 使用移动语义
}

4. 管理动态数组：
   标准库提供了一个可以管理动态数组的 unique_ptr 版本。

int main() 
{
    unique_ptr<int[]> p(new int[5] {1, 2, 3, 4, 5});
    p[0] = 0;   // 重载了operator[]
}

5. 作为auto_ptr的替代品：
   创建与释放举例：

#include 
#include 
#include 

struct Foo
{
    Foo() { std::cout << "Foo::Foo\n"; }
    ~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo\n"; }
    void bar() { std::cout << "Foo::bar\n"; }
};

void f(const Foo &)
{
    std::cout << "f(const Foo&)\n";
}

struct D
{
    void operator()(Foo* foo)
    {
        std::cout << "D operator()" << std::endl;
        delete foo;
    }
};

void TestAutoDestroy()
{
    //1. 普通的new对象.
    std::cout << "TestDestroy...................." << std::endl;
    {
        std::unique_ptr<Foo> p1(new Foo);
    }
    //2. 普通的new[]对象.
    {
        std::unique_ptr<Foo[]> p2(new Foo[4]);
    }
    //3. 自定义的deleter.
    {
        std::unique_ptr<Foo, D> p3(new Foo);
    }
}

void TestOwner()
{
    std::cout << "TestOwner...................." << std::endl;
    //1. new object.
    std::unique_ptr<Foo> p1(new Foo);  // p1 owns Foo
    if (p1) 
    	p1->bar();

    {
        std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));  // now p2 owns Foo
        f(*p2);

        p1 = std::move(p2);  // ownership returns to p1
        p2->bar();
        std::cout << "destroying p2...\n";
    }

    p1->bar();
}

void TestArrayOwner()
{
    std::cout << "TestArrayOwner...................." << std::endl;
    //1. new[] object.
    std::unique_ptr<Foo[]> p1(new Foo[4]);  // p1 owns Foo
    if (p1) 
    	p1[0].bar();

    {
        std::unique_ptr<Foo[]> p2(std::move(p1));  // now p2 owns Foo
        f(p2[0]);

        p1 = std::move(p2);  // ownership returns to p1
        p2[0].bar();
        std::cout << "destroying p2...\n";
    }

    p1[0].bar();
}

int main()
{
    TestAutoDestroy();
    TestOwner();
    TestArrayOwner();
}

# 输出：
	TestDestroy....................
	Foo::Foo
	Foo::~Foo
	Foo::Foo
	Foo::Foo
	Foo::Foo
	Foo::Foo
	Foo::~Foo
	Foo::~Foo
	Foo::~Foo
	Foo::~Foo
	Foo::Foo
	D operator()
	Foo::~Foo
	TestOwner....................
	Foo::Foo
	Foo::bar
	f(const Foo&)
	Foo::bar
	destroying p2...
	Foo::bar
	Foo::~Foo
	TestArrayOwner....................
	Foo::Foo
	Foo::Foo
	Foo::Foo
	Foo::Foo
	Foo::bar
	f(const Foo&)
	Foo::bar
	destroying p2...
	Foo::bar
	Foo::~Foo
	Foo::~Foo
	Foo::~Foo
	Foo::~Foo

8. 总结

1. unique_ptr独占管理对象，只有移动语义。
2. unique_ptr可以不占用对象，即为空。可以通过reset()或者赋值nullptr释放管理对象。
3. 标准库早期版本中定了auto_ptr，它具有unique_ptr的部分特征，但不是全部。例如不能在容器中保存auto_ptr，不能从函数中返回auto_ptr等等，这也是unique_ptr主要的使用场景。