从零开始学C++之boost库（一）：详解 boost 库智能指针（scoped_ptr 、shared_ptr 、weak_ptr 源码分析）

一、boost 智能指针

智能指针是利用RAII（Resource Acquisition Is Initialization：资源获取即初始化）来管理资源。关于RAII的讨论可以参考前面的文

章。在使用boost库之前应该先下载后放在某个路径，并在VS 包含目录中添加。下面是boost 库里面的智能指针：

（一）、scoped_ptr<T>

先来看例程：

C++ Code

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#include<boost/scoped_ptr.hpp> #include<iostream> using namespacestd; classX { public: X() { cout<< "X..."<<endl; } ~X() { cout<< "~X..."<<endl; } }; intmain( void) { cout<< "Enteringmain..."<<endl; { boost::scoped_ptr<X>pp( newX); //boost::scoped_ptr<X>p2(pp);//Error:所有权不能转移 } cout<< "Exitingmain..."<<endl; return 0; }

来稍微看一下scoped_ptr 的简单定义：

C++ Code

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namespaceboost { template< typenameT> classscoped_ptr:noncopyable { private: T*px; scoped_ptr(scoped_ptr const&); scoped_ptr& operator=(scoped_ptr const&); typedefscoped_ptr<T>this_type; void operator==(scoped_ptr const&) const; void operator!=(scoped_ptr const&) const; public: explicitscoped_ptr(T*p= 0); ~scoped_ptr(); explicitscoped_ptr(std::auto_ptr<T>p):px(p.release()); voidreset(T*p= 0); T& operator*() const; T* operator->() const; T*get() const; voidswap(scoped_ptr&b); }; template< typenameT> voidswap(scoped_ptr<T>&a,scoped_ptr<T>&b); }

与auto_ptr类似，内部也有一个T* px; 成员 ，智能指针对象pp 生存期到了，调用析构函数，在析构函数内会delete px; 如下面所说：

scoped_ptr mimics a built-in pointer except that it guarantees deletionof the object pointed to, either on destruction of the scoped_ptr or viaan

explicit reset(). scoped_ptr is a simple solution for simple needs;use shared_ptr or std::auto_ptr if your needs are more complex.

从上面的话可以得知当调用reset() 函数时也能够释放堆对象，如何实现的呢？

C++ Code

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voidreset(T*p= 0) //neverthrows { BOOST_ASSERT(p== 0||p!=px); //catchself-reseterrors this_type(p).swap(* this); } voidswap(scoped_ptr&b) //neverthrows { T*tmp=b.px; b.px=px; px=tmp; }

typedef scoped_ptr<T> this_type; 当调用pp.reset()，reset 函数构造一个临时对象，它的成员px=0， 在swap 函数中调换 pp.px 与

(this_type)(p).px， 即现在pp.px = 0; //解绑

临时对象接管了裸指针（即所有权可以交换），reset 函数返回，栈上的临时对象析构，调用析构函数，进而delete px;

另外拷贝构造函数和operator= 都声明为私有，故所有权不能转移，且因为容器的push_back 函数需要调用拷贝构造函数，故也不能

将scoped_ptr 放进vector，这点与auto_ptr 相同（不能共享所有权）。此外，还可以使用 auto_ptr 对象 构造一个scoped_ptr 对象：

scoped_ptr( std::auto_ptr<T> p ): px( p.release() );

由于scoped_ptr是通过delete来删除所管理对象的，而数组对象必须通过deletep[]来删除，因此boost::scoped_ptr是不能管理数组对象的，如果

要管理数组对象需要使用boost::scoped_array类。

boost::scoped_ptr和std::auto_ptr的功能和操作都非常类似，如何在他们之间选取取决于是否需要转移所管理的对象的所有权（如是否需要作为

函数的返回值）。如果没有这个需要的话，大可以使用boost::scoped_ptr，让编译器来进行更严格的检查，来发现一些不正确的赋值操作。

（二）、shared_ptr<T>

An enhanced relative of scoped_ptr with reference counted copy semantics.The object pointed to is deleted when the last

shared_ptr pointing to it is destroyed or reset.

先来看例程：

C++ Code

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#include<boost/shared_ptr.hpp> #include<iostream> using namespacestd; classX { public: X() { cout<< "X..."<<endl; } ~X() { cout<< "~X..."<<endl; } }; intmain( void) { cout<< "Enteringmain..."<<endl; boost::shared_ptr<X>p1( newX); cout<<p1.use_count()<<endl; boost::shared_ptr<X>p2=p1; //boost::shared_ptr<X>p3; //p3=p1; cout<<p2.use_count()<<endl; p1.reset(); cout<<p2.use_count()<<endl; p2.reset(); cout<< "Exitingmain..."<<endl; return 0; }

图示上述程序的过程也就是：

再深入一点，看源码，shared_ptr 的实现 比 scoped_ptr 要复杂许多，涉及到多个类，下面就不贴完整源码，看下面的类图：

执行boost::shared_ptr<X>p1(newX); 这一行之后：

而执行 p1.use_count(); 先是pn.use_count(); 接着pi_ != 0? pi_->use_count(): 0; return use_count_; 即返回1.

接着执行boost::shared_ptr<X>p2=p1;

本想跟踪shared_ptr 的拷贝构造函数，在当行设置断点后F11直接跳过了，说明是shared_ptr类没有实现拷贝构造函数，使用的是编译器默认的拷

贝构造函数，那如何跟踪呢？如果你的C++基础比较好，可以想到拷贝构造函数跟构造函数一样，如果有对象成员是需要先构造对象成员的（这一点

也可以从调用堆栈上看出），故可以在shared_count 类的拷贝构造函数设置断点，然后就可以跟踪进去，如下的代码：

C++ Code

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// shared_count shared_count(shared_count const&r):pi_(r.pi_) //nothrow { if(pi_!= 0)pi_->add_ref_copy(); } // sp_counted_base voidadd_ref_copy() { BOOST_INTERLOCKED_INCREMENT(&use_count_); }

故p2.pn.pi_ 也指向 唯一的一个 sp_counted_impl_p 对象，且use_count_ 增1.

再者，shared_ptr 类的默认拷贝构造函数是浅拷贝，故现在p2.px 也指向 X.

由于p2 和 p1 共享一个sp_counted_impl_p 对象，所以此时无论打印p2.use_count(); 还是 p1.use_count(); 都是2。

接着执行p1.reset();

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// shared_ptr voidreset() //neverthrowsin1.30+ { this_type().swap(* this); } voidswap(shared_ptr<T>&other) //neverthrows { std::swap(px,other.px); pn.swap(other.pn); }

this_type() 构造一个临时对象，px = 0, pn.pi_ = 0; 然后swap交换p1 与 临时对象的成员，即现在p1.px = 0; p1.pn.p1_ = 0; 如上图。

reset 函数返回，临时对象需要析构，但跟踪时却发现直接返回了，原因跟上面的一样，因为shared_ptr 没有实现析构函数，调用的是默认的析构函

数，与上面拷贝函数同样的道理，可以在shared_count 类析构函数设置断点，因为pn 是对象成员，故析构函数也会被调用。如下代码：

C++ Code

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//shared_count ~shared_count() //nothrow { if(pi_!= 0)pi_->release(); } // sp_counted_base voidrelease() //nothrow { if(BOOST_INTERLOCKED_DECREMENT(&use_count_)== 0) { dispose(); weak_release(); } }

现在use_count_ 减为1，但还不为0，故dispose(); 和weak_release(); 两个函数没有被调用。当然此时打印 p2.use_count() 就为1 了。

最后 p2.reset(); 跟p1.reset(); 同样的流程，只不过现在执行到release 时，use_count_ 减1 为0；需要继续执行dispose(); 和

weak_release(); 如下代码：

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//sp_counted_impl_p virtual voiddispose() //nothrow { boost::checked_delete(px_); } //sp_counted_base voidweak_release() //nothrow { if(BOOST_INTERLOCKED_DECREMENT(&weak_count_)== 0) { destroy(); } } virtual voiddestroy() //nothrow { delete this; }

在check_delete 中会 delete px_; 也就是析构 X。接着因为weak_count_ 减1 为0， 故执行destroy(); 函数里面delete this; 即析构自身

（sp_counted_impl_p 对象是在堆上分配的）。

说到这里，我们也可以明白，即使最后没有调用p2.reset(); 当p2 栈上对象生存期到， 需要调用shared_ptr 类析构函数，进而调用shared_count 类析

构函数，所以执行的结果也是跟reset() 一样的，只不过少了临时对象this_type()的构造。

总结一下：

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。

详见http://www.boost.org/doc/libs/1_52_0/libs/smart_ptr/shared_ptr.htm

如下列bad 函数内 的代码则可能导致内存泄漏：

C++ Code

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voidf(shared_ptr< int>, int); intg(); voidok() { shared_ptr< int>p( new int( 2)); f(p,g()); } voidbad() { f(shared_ptr< int>( new int( 2)),g()); }

如bad 函数内，假设先构造了堆对象，接着执行g(), 在g 函数内抛出了异常，那么由于裸指针还没有被智能指针接管，就会出现内存泄漏。

（三）、weak_ptr<T>

如上总结shared_ptr<T> 时说 到引用计数是一种便利的内存管理机制，但它有一个很大的缺点，那就是不能管理循环引用的对象。

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#include<boost/shared_ptr.hpp> #include<iostream> using namespacestd; classParent; classChild; typedefboost::shared_ptr<Parent>parent_ptr; typedefboost::shared_ptr<Child>child_ptr; classChild { public: Child() { cout<< "Child..."<<endl; } ~Child() { cout<< "~Child..."<<endl; } parent_ptrparent_; }; classParent { public: Parent() { cout<< "Parent..."<<endl; } ~Parent() { cout<< "~Parent..."<<endl; } child_ptrchild_; }; intmain( void) { parent_ptrparent( newParent); child_ptrchild( newChild); parent->child_=child; child->parent_=parent; return 0; }

如上述程序的例子，运行程序可以发现Child 和 Parent 构造函数各被调用一次，但析构函数都没有被调用。 由于Parent和Child对象互相引用，

它们的引用计数最后都是1，不能自动释放，并且此时这两个对象再无法访问到。这就引起了 内存泄漏 。

其中一种解决循环引用问题的办法是 手动打破循环引用，如在return 0; 之前加上一句parent->child_.reset(); 此时

当栈上智能指针对象child 析构，Child 对象引用计数为0，析构Chlid 对象，它的成员parent_ 被析构，则Parent 对象引用计数

减为1，故当栈上智 能指针对象parent 析构时，Parent 对象引用计数为0，被析构。

但手动释放不仅麻烦而且容易出错，这里主要介绍一下弱引用智能指针 weak_ptr<T> 的用法，下面是简单的定义：

C++ Code

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namespaceboost { template< typenameT> classweak_ptr { public: template< typenameY> weak_ptr( constshared_ptr<Y>&r); weak_ptr( constweak_ptr&r); template< classY> weak_ptr& operator=(weak_ptr<Y>&&r); template< classY> weak_ptr& operator=(shared_ptr<Y> const&r); ~weak_ptr(); boolexpired() const; shared_ptr<T>lock() const; }; }

上面出现了 && 的用法，在这里并不是逻辑与的意思，而是C++ 11中的新语法，如下解释：




&&is new in C++11, and it signifies that the function accepts anRValue-Reference-- that is, a reference to an argument that is about

to be destroyed. //也就是说函数接受左值引用，也就是引用着的变量可以被修改

两个常用的功能函数：expired()用于检测所管理的对象是否已经释放；lock()用于获取所管理的对象的强引用智能指针。

强引用与弱引用：

强引用，只要有一个引用存在，对象就不能释放

弱引用，并不增加对象的引用计数（实际上是不增加use_count_， 会增加weak_count_）；但它能知道对象是否存在

通过weak_ptr访问对象的成员的时候，要提升为shared_ptr

如果存在，提升为shared_ptr(强引用）成功
如果不存在，提升失败

对于上述的例子，只需要将Parent 类里面的成员定义改为如下，即可解决循环引用问题：

C++ Code

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classParent { public: boost::weak_ptr<parent>child_; };

因为此例子涉及到循环引用，而且是类成员引用着另一个类，涉及到两种智能指针，跟踪起来难度很大，我也没什么心情像分析

shared_ptr 一样画多个图来解释流程，这个例子需要解释的代码远远比shared_ptr 多，这里只是解释怎样使用，有兴趣的朋友自

己去分析一下。

下面再举个例子说明lock() 和 expired() 函数的用法：

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#include<boost/shared_ptr.hpp> #include<boost/weak_ptr.hpp> #include<boost/scoped_array.hpp> #include<boost/scoped_ptr.hpp> #include<iostream> using namespacestd; classX { public: X() { cout<< "X..."<<endl; } ~X() { cout<< "~X..."<<endl; } voidFun() { cout<< "Fun..."<<endl; } }; intmain( void) { boost::weak_ptr<X>p; boost::shared_ptr<X>p3; { boost::shared_ptr<X>p2( newX); cout<<p2.use_count()<<endl; p=p2; cout<<p2.use_count()<<endl; /*boost::shared_ptr<X>*/ p3=p.lock(); cout<<p3.use_count()<<endl; if(!p3) cout<< "objectisdestroyed"<<endl; else p3->Fun(); } /*boost::shared_ptr<X>p4=p.lock(); if(!p4) cout<<"objectisdestroyed"<<endl; else p4->Fun();*/ if(p.expired()) cout<< "objectisdestroyed"<<endl; else cout<< "objectisalived"<<endl; return 0; }

从输出可以看出，当p = p2; 时并未增加use_count_，所以p2.use_count() 还是返回1，而从p 提升为 p3，增加了

use_count_， p3.use_count() 返回2；出了大括号，p2 被析构，use_count_ 减为1，程序末尾结束，p3 被析构，

use_count_ 减为0，X 就被析构了。

参考 ：

C++ primer 第四版
Effective C++ 3rd
C++编程规范

http://www.cnblogs.com/TianFang/