C++ 11新特性之unique_ptr

概述

        在C++ 11标准中，智能指针作为一种强大的资源管理工具被引入，极大地提升了代码的健壮性和安全性。其中，std::unique_ptr作为唯一所有权智能指针，以其独特的非拷贝特性及自动内存释放机制，成为现代C++编程中的重要组件。

        std::unique_ptr是C++标准库提供的智能指针类型之一，它拥有对动态分配对象的唯一且不可共享的所有权。当std::unique_ptr实例销毁时，其所指向的动态分配内存会自动释放，有效防止了内存泄漏问题。std::unique_ptr是一个独享所有权的智能指针，它提供了一种严格语义上的所有权，包括：

        1、拥有它所指向的对象。

        2、无法进行复制构造，也无法进行复制赋值操作。也就是说，我们无法得到指向同一个对象的两个unique_ptr。但是，可以进行移动构造和移动赋值操作。

        3、保存指向某个对象的指针，当它本身被删除释放的时候（比如：离开了某个作用域），会使用给定的删除器释放它指向的对象。

unique_ptr的核心特性

        1、唯一所有权。

        std::unique_ptr不允许复制或赋值给其他std::unique_ptr实例，仅可通过移动语义转移所有权。这意味着，任何时刻只有一个std::unique_ptr实例可以指向特定的动态分配内存。

        2、自定义删除器。

        std::unique_ptr允许指定自定义的删除器，在资源不再需要时，执行特定的清理操作。

        3、异常安全。

        std::unique_ptr构造和析构过程都是异常安全的，即使在构造过程中抛出异常，也不会造成内存泄漏。

        4、空指针优化。

        为了提升性能，std::unique_ptr通常采用空指针优化技术，即在不持有任何资源时，不会额外分配内存存储删除器。

unique_ptr的使用

        使用unique_ptr，可以实现如下功能。

        1、为动态申请的内存提供异常安全。

        2、将动态申请内存的所有权传递给某个函数。

        3、从某个函数返回动态申请内存的所有权。

        4、在容器中保存指针。

        下面是一段传统的会产生不安全异常的代码：

X* f()
{
    X* p = new X;
    // 做一些事情，中间可能会抛出某个异常
    return p;
}

        解决方法是：使用unique_ptr来管理这个对象的所有权，由其进行这个对象的释放工作。

X* f()
{
    unique_ptr p(new X);
    // 做一些事情，中间可能会抛出某个异常
    return p.release();
}

        如果程序执行过程中抛出了异常，unique_ptr就会释放它所指向的对象。但是，除非我们真的需要返回一个内建的指针，我们还可以返回一个unique_ptr。

unique_ptr f()
{
    unique_ptr p(new X);
    // 做一些事情，中间可能会抛出某个异常
    return move(p);
}

        现在，我们可以参考下面的示例代码这样使用函数f()。

{
    // 使用移动构造函数（move constructor）
    unique_ptr q = f();
    // 使用q
    q->DoSomething();
    // 复制指针q所指向的对象
    X x = *q;
}
// 离开作用域，q以及它所指向的对象都会被删除释放

        unique_ptr具有移动语义，所以我们可以使用函数f()返回的右值对q进行初始化，这样就简单地将所有权传递给了q。

注意事项

        1、初始化与赋值。

        可以通过构造函数直接初始化，并可以通过reset()成员函数改变所指向的对象，或者利用移动构造函数或移动赋值运算符转移所有权。

        2、不支持浅拷贝。

        因为std::unique_ptr强调唯一所有权，所以它不支持拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，但支持移动构造和移动赋值。

        3、数组形式。

        std::unique_ptr还支持数组形式，用法为std::unique_ptr，适用于动态分配的数组资源管理。

        4、嵌套指针。

        当需要管理指向动态分配对象的指针的指针时，可以使用std::unique_ptr>，但需谨慎处理生命周期和所有权转移。

总结

        std::unique_ptr凭借其独特的唯一所有权特性，成为解决动态内存管理问题的重要工具，有助于编写简洁、高效且不易出错的C++代码。熟练掌握std::unique_ptr的应用场景与限制条件，对于理解现代C++编程范式和设计理念具有重要意义。