智能指针auto_ptr与shared_ptr详解

      一.auto_ptr  

    auto_ptr是当前C++标准库中提供的一种智能指针，或许相对于boost库提供的一系列眼花缭乱的智能指针，　或许相对于Loki中那个无所不包的智能指针，这个不怎么智能的智能指针难免会黯然失色。诚然，auto_ptr有这样那样的不如人意，以至于程序员必须像使用”裸“指针那样非常小心的使用它才能保证不出错，以至于它甚至无法适用于同是标准库中的那么多的容器和一些算法，但即使如此，我们仍然不能否认这个小小的auto_ptr所蕴含的价值与理念。

　　auto_ptr的出现，主要是为了解决“被异常抛出时发生资源泄漏”的问题。即如果我们让资源在局部对象构造时分配，在局部对象析构时释放。这样即使在函数执行过程时发生异常退出，也会因为异常能保证局部对象被析构从而保证资源被释放。auto_ptr就是基于这个理念而设计，

namespace std
{
 template
 class auto_ptr 
 {
 private:
  T* ap; 
 public:

  // constructor & destructor ----------------------------------- (1)
  explicit auto_ptr (T* ptr = 0) throw() : ap(ptr){}

  ~auto_ptr() throw() 
  {
   delete ap;
  }

  
  // Copy & assignment --------------------------------------------(2)
  auto_ptr (auto_ptr& rhs) throw() :ap(rhs.release()) {}
  template  
  auto_ptr (auto_ptr& rhs) throw() : ap(rhs.release()) { }

  auto_ptr& operator= (auto_ptr& rhs) throw() 
  {
   reset(rhs.release());
   return *this;
  }
  template
  auto_ptr& operator= (auto_ptr& rhs) throw() 
  {
   reset(rhs.release());
   return *this;
  }

  // Dereference----------------------------------------------------(3)
  T& operator*() const throw() 
  {
   return *ap;
  }
  T* operator->() const throw() 
  {
   return ap;
  }

  // Helper functions------------------------------------------------(4)
  // value access
  T* get() const throw() 
  {
   return ap;
  }

  // release ownership
  T* release() throw()
  {
   T* tmp(ap);
   ap = 0;
   return tmp;
  }

  // reset value
  void reset (T* ptr=0) throw() 
  {
   if (ap != ptr) 
   {
    delete ap;
    ap = ptr;
   }
  }

  // Special conversions-----------------------------------------------(5)
  template
  struct auto_ptr_ref
  {
   Y* yp;
   auto_ptr_ref (Y* rhs) : yp(rhs) {}
  };

  auto_ptr(auto_ptr_ref rhs) throw() : ap(rhs.yp) { }
  auto_ptr& operator= (auto_ptr_ref rhs) throw() 
  {  
   reset(rhs.yp);
   return *this;
  }
  template
  operator auto_ptr_ref() throw() 
  {
   return auto_ptr_ref(release());
  }
  template
  operator auto_ptr() throw()
  {
   return auto_ptr(release());
  }
 };
}

1 构造函数与析构函数
auto_ptr在构造时获取对某个对象的所有权(ownership),在析构时释放该对象。我们可以这样使用auto_ptr来提高代码安全性：
int* p = new int(0);
auto_ptr ap(p);
从此我们不必关心应该何时释放p，　也不用担心发生异常会有内存泄漏。
这里我们有几点要注意：
1) 因为auto_ptr析构的时候肯定会删除他所拥有的那个对象，所有我们就要注意了，一个萝卜一个坑，两个auto_ptr不能同时拥有同一个对象。像这样：
int* p = new int(0);
auto_ptr ap1(p);
auto_ptr ap2(p);
因为ap1与ap2都认为指针p是归它管的，在析构时都试图删除p,　两次删除同一个对象的行为在C++标准中是未定义的。所以我们必须防止这样使用auto_ptr.
2) 考虑下面这种用法：
int* pa = new int[10];
auto_ptr ap(pa);
因为auto_ptr的析构函数中删除指针用的是delete,而不是delete [],所以我们不应该用auto_ptr来管理一个数组指针。
3) 构造函数的explicit关键词有效阻止从一个“裸”指针隐式转换成auto_ptr类型。
4) 因为C++保证删除一个空指针是安全的，　所以我们没有必要把析构函数写成：
~auto_ptr() throw() 
{
 if(ap) delete ap;
}

2 拷贝构造与赋值
与引用计数型智能指针不同的，auto_ptr要求其对“裸”指针的完全占有性。也就是说一个”裸“指针不能同时被两个以上的auto_ptr所拥有。那么，在拷贝构造或赋值操作时，我们必须作特殊的处理来保证这个特性。auto_ptr的做法是“所有权转移”，即拷贝或赋值的源对象将失去对“裸”指针的所有权，所以，与一般拷贝构造函数，赋值函数不同，　auto_ptr的拷贝构造函数，赋值函数的参数为引用而不是常引用(const reference).当然，一个auto_ptr也不能同时拥有两个以上的“裸”指针，所以，拷贝或赋值的目标对象将先释放其原来所拥有的对象。
这里的注意点是：
1) 因为一个auto_ptr被拷贝或被赋值后，　其已经失去对原对象的所有权，这个时候，对这个auto_ptr的提领(dereference)操作是不安全的。如下:
int* p = new int(0);
auto_ptr ap1(p);
auto_ptr ap2 = ap1;
cout<<*ap1; //错误，此时ap1只剩一个null指针在手了
这种情况较为隐蔽的情形出现在将auto_ptr作为函数参数按值传递，因为在函数调用过程中在函数的作用域中会产生一个局部对象来接收传入的auto_ptr(拷贝构造)，这样，传入的实参auto_ptr就失去了其对原对象的所有权，而该对象会在函数退出时被局部auto_ptr删除。如下：
void f(auto_ptr ap){cout<<*ap;}
auto_ptr ap1(new int(0));
f(ap1);
cout<<*ap1; //错误，经过f(ap1)函数调用，ap1已经不再拥有任何对象了。
因为这种情况太隐蔽，太容易出错了，　所以auto_ptr作为函数参数按值传递是一定要避免的。或许大家会想到用auto_ptr的指针或引用作为函数参数或许可以，但是仔细想想，我们并不知道在函数中对传入的auto_ptr做了什么，　如果当中某些操作使其失去了对对象的所有权，　那么这还是可能会导致致命的执行期错误。　也许，用const reference的形式来传递auto_ptr会是一个不错的选择。

2)我们可以看到拷贝构造函数与赋值函数都提供了一个成员模板在不覆盖“正统”版本的情况下实现auto_ptr的隐式转换。如我们有以下两个类
class base{};
class derived: public base{};
那么下列代码就可以通过，实现从auto_ptr到auto_ptr的隐式转换，因为derived*可以转换成base*类型
auto_ptr apbase = auto_ptr(new derived);

3) 因为auto_ptr不具有值语义(value semantic), 所以auto_ptr不能被用在stl标准容器中。
所谓值语义，是指符合以下条件的类型(假设有类A)：
A a1;
A a2(a1);
A a3;
a3 = a1;
那么
a2 == a1, a3 == a1
很明显，auto_ptr不符合上述条件，而我们知道stl标准容器要用到大量的拷贝赋值操作，并且假设其操作的类型必须符合以上条件。

3 提领操作(dereference)
提领操作有两个操作，　一个是返回其所拥有的对象的引用，　另一个是则实现了通过auto_ptr调用其所拥有的对象的成员。如：
struct A
{ 
 void f();
}
auto_ptr apa(new A);
(*apa).f();
apa->f();
当然，　我们首先要确保这个智能指针确实拥有某个对象，否则，这个操作的行为即对空指针的提领是未定义的。

4 辅助函数
1) get用来显式的返回auto_ptr所拥有的对象指针。我们可以发现，标准库提供的auto_ptr既不提供从“裸”指针到auto_ptr的隐式转换(构造函数为explicit),也不提供从auto_ptr到“裸”指针的隐式转换，从使用上来讲可能不那么的灵活，　考虑到其所带来的安全性还是值得的。
2) release,用来转移所有权
3) reset，用来接收所有权，如果接收所有权的auto_ptr如果已经拥有某对象，　必须先释放该对象。

5 特殊转换

二.shared_ptr

auto_ptr虽然简单易用，但它不能共享所有权的特性却大大限制了其使用范围，而boost::shared_ptr可以解决这一局限。顾名思义，boost::shared_ptr是可以共享所有权的智能指针，首先让我们通过一个例子看看它的基本用法：

#include 
#include 
#include 

class implementation
{
public:
    ~implementation() { std::cout <<"destroying implementation\n"; }
    void do_something() { std::cout << "did something\n"; }
};

void test()
{
    boost::shared_ptr sp1(new implementation());
    std::cout<<"The Sample now has "< sp2 = sp1;
    std::cout<<"The Sample now has "<

该程序的输出结果如下：

The Sample now has 1 references
The Sample now has 2 references
After Reset sp1. The Sample now has 1 references
destroying implementation
After Reset sp2.

可以看到，boost::shared_ptr指针sp1和sp2同时拥有了implementation对象的访问权限，且当sp1和sp2都释放对该对象的所有权时，其所管理的的对象的内存才被自动释放。在共享对象的访问权限同时，也实现了其内存的自动管理。

boost::shared_ptr的内存管理机制：

boost::shared_ptr的管理机制其实并不复杂，就是对所管理的对象进行了引用计数，当新增一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数加一；减少一个boost::shared_ptr对该对象进行管理时，就将该对象的引用计数减一，如果该对象的引用计数为0的时候，说明没有任何指针对其管理，才调用delete释放其所占的内存。

上面的那个例子可以的图示如下：

1. sp1对implementation对象进行管理，其引用计数为1 
   
2. 增加sp2对implementation对象进行管理，其引用计数增加为2 
   
3. sp1释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为1 
   
4. sp2释放对implementation对象进行管理，其引用计数变为0，该对象被自动删除 
   

boost::shared_ptr的特点：

和前面介绍的boost::scoped_ptr相比，boost::shared_ptr可以共享对象的所有权，因此其使用范围基本上没有什么限制（还是有一些需要遵循的使用规则，下文中介绍），自然也可以使用在stl的容器中。另外它还是线程安全的，这点在多线程程序中也非常重要。

boost::shared_ptr的使用规则：

boost::shared_ptr并不是绝对安全，下面几条规则能使我们更加安全的使用boost::shared_ptr：

1. 避免对shared_ptr所管理的对象的直接内存管理操作，以免造成该对象的重释放
2. shared_ptr并不能对循环引用的对象内存自动管理（这点是其它各种引用计数管理内存方式的通病）。
3. 不要构造一个临时的shared_ptr作为函数的参数。